基于ARM和FPGA的LED标准光源电路设计

甘康 蔡锦达 邹亿 刘倩

摘要：为满足光源亮度和准确度的要求，设计了一种能够调节光源亮度和色温的LED驱动电路，提出了一种基于ARM和FPGA的双芯片控制的LED驱动电路。采用ARM Cortex M3内核的LPC1517作为主控芯片，负责数据的存储和处理，保证整体系统高速稳定运行；FPGA芯片EP1C3T144CN则负责输出LED工作所需的PWM信号，使得LED光源能达到所需色温。实验结果表明，设计的LED光源在亮度达到要求的前提下，实际色温与实验设定色温误差在1%以内，该LED光源发光性能良好，且体积较小、成本低，能应用于较多工作场景。

关键词： 精简指令集机器（ARM）； 现场可编辑门阵列（FPGA）； 发光二极管（LED）； 标准光源； 脉宽调制（PWM）

中图分类号： O 435 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.008

Abstract：In order to meet the requirements of brightness and light source accuracy，a LED light source drive circuit which can adjust brightness and color temperature is designed.This paper presents a design of the LED driver circuit based on ARM and FPGA dual chips，which uses LPC1517 with ARM Cortex M3 kernel as the main control chip，responsible for data storage and processing.To ensure the whole system operate in a high speed steadily，the FPGA chip EP1C3T144CN is responsible for outputting the PWM signal which is required during LED running，for a desired color temperature.Finally，the experimental results show that the error between the actual color temperature and the experiment setting color temperature is within 1% when the luminance of the LED light source meets the requirement.LED light source has good luminous performance and small volume.It can be used in the many scenes.

Keywords：advanced RISC machine（ARM）； field programmable gate array（FPGA）； light emitting diode（LED）； standard light source； pulse width modulation（PWM）

引 言

發光二极管（LED）具有节能、环保、亮度高、体积小、寿命长等特性，也因此被誉为21世纪的绿色照明光源[1]。LED照明如今已深入到我们生活中的方方面面，广泛应用于日常照明、医疗卫生、国防运输和

科学研究等方面[2]。由于LED发光亮度可以通过工作电压或者电流大小进行调节，同时在较大工作电压电流范围内，LED的发光亮度与工作电压电流成线性关系[3]。因此，与传统光源相比，LED光源更易于调光和智能控制，使得以LED为高精准度的标准光源也更易实现[4]。

本文应某手机摄像头制造公司要求，设计了一种采用精简指令集机器（ARM）和现场可编辑门阵列（FPGA）的LED驱动电路，采用PWM信号进行调光，作为CMOS镜头的校准用标准光源[5 7]。根据要求，本标准光源输出色温应能达到：A光源（2 856±50） K、D50光源（5 000±100） K、D65光源（6 500±150） K，其他色温偏差低于3%，且发光稳定，要求长时间工作时光源的色温偏差低于1%，亮度偏差低于3%[8]。

普通LED光源电路一般使用一块ARM芯片即可满足发光要求，而由于标准光源对发光亮度和色温精度要求较高，单用ARM芯片同时作为电路主控芯片和PWM信号芯片时，会出现PWM信号频率分辨率较低、系统处理速度较慢等情况，因此特加入一组FPGA芯片提供调光所需PWM信号，而原ARM芯片则作为主控芯片，在满足了光源亮度和色温精准可调的情况下，整体系统成本低且体积小，符合生产要求。

1 硬件系统组成

本文研制的光源控制系统核心板属于自主开发设计，采用ARM加FPGA双芯控制。ARM芯片采用NXP公司生产的LPC1517微控制器，LPC1517采用ARM Cortex M3内核，具备256 KB的Flash存储器，4 KB片内EEPROM和36 KB片内SRAM，其强大的性能确保整个控制系统能够高速稳定运行。FPGA芯片采用Altera公司生产的EP1C3T144C8N芯片，EP1C3T144C8N具有灵活的时钟管理功能，其配有一个锁相环电路，可以提供输入时钟的1到32倍频，可以稳定地输出任意频率PWM波形，让光源的调节更加精准。ARM芯片为主控芯片，负责储存和处理相关数据，使整个系统能够对数据进行高速处理，并迅速做出反应，FPGA负责产生LED灯调光所需的PWM信号。由于采用分工合作的方式，使整个系统的运行速度得到大幅提升。图1为光源控制板硬件框图。

1.1 主控电路

LPC1517主控电路可以分成LPC1517系统电路、电源电路、复位电路三个组成部分。

图2为LPC1517芯片系统电路。最小系统电路中主要包含系统时钟电路和电源输入电路。为保证输入电源的稳定性，在输入引脚和地之间并联一组电容，目的是为了消除输入电压抖动对电路的影响。LPC1517芯片提供了两组时钟输入形式：一种是在通过外部供电时，外接的12 MHz晶振可以为系统提供较高的频率，让芯片能够快速运行；另一种是在芯片使用电池供电时，外接的32.768 kHz晶振能够为芯片正常工作提供实时时钟输入。

硬件结构中需要同时用到3.3 V和1.5 V两种工作电压，FPGA正常工作需要3.3 V和1.5 V两种电压同时输入，其他芯片正常工作只需3.3 V的电压即可。稳定的电源输入是调光系统不可缺少的部分，本文选用LM2576S 3.3电源芯片和MIC37101 1.5电源芯片分别作为本文两种工作电压下的供电芯片。两种电源电路图如图3和4所示。

复位电路的作用是将电路的运行状态恢复到初始状态。对于一个优良的电路来说，复位电路是不可缺少的组成部分。复位电路能够让芯片在程序跑飞和出错时快速回到初始状态，确保整个电路的稳定运行。本文设计的复位电路采用CAT811STBI芯片实现，CAT811STBI芯片是电源检测微处理器，当电源电压低于预设的电压阈值水平且持续140 ms以上时，CAT811STBI芯片就会产生一个复位信号，CAT811STBI芯片采用浮栅技术，可提供任何自定义的复位电压阈值。

图5为复位电路，在CAT811STBI的MR引脚接入一个RC复位电路，在主控芯片正常工作时，电容C71开始充电，当电容两端电压达到3.3 V时充电完毕，此时SYS_RST输入为高电平。当需要复位操作时，按下开关S1，SYS_RST与地直接相连，电容C71开始放电，放电完成之后，SYS_RST输入为低电平，主控芯片接收到复位信号，并完成复位操作。

1.2 LED驱动电路

LED驱动电路采用独立芯片多路控制的方法，LED灯珠驱动芯片采用TI公司专为驱动LED灯珠设计的TLC59282芯片，同时使用4片TLC59282来组合调光。每一片驱动芯片的BLANK引脚独立连接到FPGA芯片的PWM输出口，从而可以独立地控制每一片驱动芯片的占空比。具体电路图如图6所示。

1.3 PWM控制电路

FPGA芯片采用Altera公司生产的EP1C3T144C8N芯片，EP1C3T144C8N芯片采用一个二维行列结构体系，以实现自定义逻辑。不同的行列连接方式，为逻辑阵列单元和嵌入式存储块之间提供不同的连接信号。EP1C3T144C8N芯片器件提供了一个全局时钟网络和一个锁相环。全局时钟网络由4路可以驱动整个模块的时钟组成，全局时钟网络可以为芯片的所有模块提供所需的时钟信号。全局时钟线也可以用于控制信号，EP1C3T144C8N芯片的PLL提供了能够倍频和移相的通用时钟以及支持高速差分I/O输出的外部输出口。EP1C3T144C8N芯片具有灵活的时钟管理功能，其配有的锁相环电路，可以提供输入時钟的1～32倍频，最高可输出200 MHz的PWM波形。具体的FPGA配置电路如图7所示。

FPGA配置电路，搭载一片20 MHz的有源晶振，可以根据具体需要配置不同的PLL输出。EP1C3T144C8N芯片与LPC1517之间通过4个I/O口直接相连，2块芯片之间的通信采用SPI通信方式。PWM波形的输出引脚选用4个高度I/O口，每一个I/O口分别指定TLC59282芯片的BLANK引脚，从而可以单独控制每一片LED驱动芯片的I/O口的开关状态。

1.4 串口通信电路

本文选用RS 232通信协议作为上位机和下位机的通信方式。光源控制系统串口通信设置为：波特率采用19 200波特、数据位采用8位、不使用校验位、停止位为1。RS 232串口通信的芯片采用MAXIM公司制造的MAX232芯片。MAX232采用16引脚TSSOP封装，具有宽度窄厚度薄的特点，为电路板的设计节省布局空间。MAX232芯片输入电压支持3.0 V到5.5 V，串口通信频率最高可支持1 Mbit/s。具体的串口通信电路图如图8所示。

2 控制程序设计

2.1 串口通信协议

控制系统的操作指令都是通过电脑端调光软件来实现。根据实际情况，电脑与下位机控制板的通信采用串口通信的方式完成，并使用RS 232串行接口。要想实现计算机与光源控制板之间的串口通信，需要先按要求配置好主控芯片内部的串口通信模块。LPC1517芯片的串口配置分为如下几个步骤：

（1） 通用异步收发传输器（UART）初始化

（2） 配置UART0中断

（3） 配置UART0接收引脚和发送引脚

2.2 PWM程序设计

LED光源采用PWM技术进行调光，其工作原理是通过控制半导体开关器件的导通和闭合时间来控制器件的平均导通时间，从而得到我们需要的输出值。其输出波形为一系列的矩形波，这些矩形波的幅值相等。本光源控制系统采用3路PWM波形进行调光，每一路的PWM波形独立调节，具体的调节波形如图9所示。图中的3路PWM波形均由同一控制器产生，采用相同的时间周期，每一路PWM波形的占空比可以独立调节。在已知目标光源的光照度和期望色温情况下，我们由格拉斯曼颜色混合定律可以计算出每一路的占空比值，再根据占空比值就可以得到每一路PWM波形的导通时间T1、T2、T3的值。控制芯片再按相应的值输出PWM控制波形，从而达到调节光源亮度和色温的目的。

本光源控制系统的PWM波形由EP1C3T144C8N芯片产生，PWM波形输出配置如下：

首先，配置EP1C3T144C8N芯片的系统时钟，本光源控制系统采用高频PWM控制技术，确保LED灯珠发光稳定，不会产生光源的频闪问题。PWM波形的输出频率在20 kHz以上，因此配置的inclk0输入时钟的频率为20 MHz，最高工作频率为260 MHz。

接着，配置PWM的计数总值，计数总值的大小与光源的调节精度有关，假设计数总值为100，则PWM的脉宽调节精度为1%，如果计数总值为1 000时，PWM的脉宽调节精度为0.1%，因此计数总值越大，对应的PWM调节精度也会越高。为了保证光源的调节精度，本控制系统配置的计数总值为1 000。

最后，配置PWM波形的输出引脚，本光源控制系统采用了4块LED驱动芯片独立控制，故使用了4路PWM波形输出。

3 LED电路整体性能测试

LED灯珠采用统佳光电生产的贴片LED灯珠。选用CL 200A色彩照度计测量LED光源照度、色温、色坐标等光源色参数。为了满足照明所需的亮度，我们采用多颗LED灯珠组合的方式来达到照明的照度要求。在LED灯珠的布局上采用4个高色温白光LED和4个低色温白光LED灯珠呈圆形均匀排列，红绿蓝光 LED灯珠位于圆形之内，LED灯珠布局如图10所示。光源的测试均在特制的不透光的铝制光源卡座中进行，测试环境如图11所示。

虽然光源的色温定义为与光源辐射颜色相同时的黑体温度，但实际上光源光谱功率分布不可能与黑体完全一致，所以在讨论光源的颜色时使用的是色温的概念。在LED电路系统测试实验中，使用三角垂足插值法和McCamy近似公式法来计算色品坐标与色温的关系（色温低于4 000 K时，选用McCamy近似公式法，高于时选用三角垂足插值法）[9 10]。表1是相关色温初始设定值与测量值的对照情况，从表1中可以看出，在实验所设定的13种色温下，LED光源色温的初始设定值相对于目标值而言，存在一定偏差，偏差范围在1%以内。表2是相关色温微调之后的测量值与目标值的对照情况，从表2中可以看出，经过微调之后的测量值可以达到目标值。

表3是开机10 min之后测试的相关色温设定值和测量值的对照情况，表4是开机30 min后的对照情况。从表3和表4的数据可以看出，本光源在本实验设定的色温值下，发光效果良好，稳定性好。

从上面实验结果可以看出，实验结果与理论值基本相符，但是两者之间还存在一些误差，产生的原因如下：

（1） 因实验仪器本身就存在一定的实验误差，故在测量时，就会得出有一定偏差的实验数据。

（2） 本文计算色温值时，采用的是三角垂足插值法和McCamy近似公式法。而三角垂足插值法产生标准数据时用日光代替黑体轨迹将产生一定的理论误差，McCamy近似公式法虽然计算结果比较精确，也难免会出现一定的偏差。

4 结 论

本文设计了一种基于ARM和FPGA双芯片控制的LED驱动电路，其中ARM芯片LPC1517作为主控芯片，负责系统数据的存储和处理，FPGA芯片EP1C3T144C8N负责输出LED调光时需要的PWM信号。同时，为了满足亮度和调光需求，电路采用了4路LED驱动芯片TLC59282进行组合调光。本文设计的光源整体模块体积较小，可应用于大多数LED工作场合，使得本光源电路有一定的普遍适用性。

参考文献：

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[10] 蔡锦达，邹亿，孙福佳.白光和红绿蓝光LED可调光源研制[J].光学技术，2017，43（2）：187 192.

（编辑：刘铁英）