基于FPGA的舞台LED调光系统研究

2019-08-15任慧彭康平

中国传媒大学学报(自然科学版) 2019年4期

任慧，彭康平

(1.中国传媒大学信息与通信工程学院，北京100024；2.视听技术与智能控制系统文化和旅游部重点实验室，北京100024；3.现代演艺技术北京市重点实验室，北京 100024)

1 引言

随着科技的不断发展，舞台灯光的控制要求也越来越高，目前市场上的舞台LED调光器多采用ARM或单片机进行控制，ARM系列嵌入式控制器目前占据市场主流，其优点是性能高、成本低、能耗少。然而在舞台LED调光器系统中也显现出其不足之处，ARM的硬件PWM一般只有3～6路，无法满足照明系统中大量的LED链路控制，通过软件方法可以扩充PWM，却也同时大大降低了控制器的速度处理性能，难以满足数据高速传输的要求。本文采用了以FPGA为主控芯片研发舞台LED调光系统。以FPGA为核心实现了手动调节和调光台调光双模式调光电路。通过实验验证，该调光系统性能稳定，方便快捷，能满足舞台LED灯光的亮度控制要求。

2 系统硬件设计

本系统由四个部分组成，手动调光模块，上级调光台调节模块，控制和显示模块，恒流驱动电路模块，如图1所示。手动调光通过调节电位器获得模拟电压，并通过模数转换将模拟信号转换为调光数字信号[1]。上级调光台通过DMX512协议发送数据，FPGA把接收到的数据进行处理显示，并产生PWM信号，通过LED恒流驱动电路控制LED灯具的亮度变化。

图1 系统整体硬件框图

2.1 手动调光模式调光

手动调光模块框图如图2所示。LED调光系统的手动模式通过调节调节电位器来实现。调节电位器，FPGA进行数据的A/D采集转换。将得到数据进行处理得到亮度信息。

图2 手动调光模块框图

2.2 调光台调光模式调光

调光台调光模块框图如图3所示。这部分通过上级调光台发送数据控制，调光台通过RS485发送信号，FPGA判断数据并接收，将数据转换成亮度信息。

图3 调光台调光模块框图

2.3 控制和显示模块

控制和显示模块框图如图4所示。控制模块通过键盘来实现，键盘不仅要控制调光模式的选择，还要在调光台调光模式下控制通道号的选择。FPGA把接收到的数据通过数码管显示出来，显示模式状态，通道号和亮度信息。

图4 控制和显示模块

2.4 恒流驱动电路设计

本系统中的恒流驱动电路所用芯片为TI公司的LM3414[2]，其电路如图5所示。

图5 恒流驱动电路设计图

图中各个元件要根据LED灯具的不同来设置不同的参数。

图中的Vin(+)和 Vin(-)表示LED灯具和电路之间的两个接口，LED不仅表示LED灯具，代表LED灯组。FPGA输出的PWM信号通过DIM引脚接入驱动电路。

占空比：

(1)

VIN即输入电压Vin(+)，VLED为LED灯组分得的电压。输入电压要根据LED灯组的电压来定，输入电压尽量比LED灯组电压稍微大一点，不能超过太多。

3 系统软件设计

在软件代码的实现过程中，要按照top to down的设计方法进行实现[3]。这种设计思路是先考虑系统的整体框架，并考虑好每个部件之间的互相联系，设计好整体结构后再对各个分部件进行单独设计。这种设计方法可以极大的减少设计阶段中的很多重复性工作，提高工作效率。

3.1 手动调光模块

手动模块是通过A/D采集可调电阻电压来实现的。

具体的实现步骤如图6所示(图中Y表示yes，N表示no)：

图6 A/D采集设计流程图

CS是芯片的选通引脚，当CS为低电平时，芯片允许工作。根据串行数据的时钟，先声明本次采集的是哪个通道的数据，通道号由FPGA确定。A/D芯片接收到通道号后，将该通道的数据给到FPGA。每次采集到的数据都是12位数据，数据执行的是高位先行的原则。但亮度的调节只用到了8位，将所得12位数据进行截位处理，只取高8位数据，得到的8位数据就是亮度信息数据。

3.2 调光台调光模块

调光台调光模快女主要是实现FPGA接收上级调光台通过DMX512协议发送过来的数据。

接收DMX512协议数据，需要根据协议的时序来设计[4]。由DMX512的协议时序，得到了如图7的设计流程：

图7 DMX512协议接收器设计流程图

DMX512每帧数据可以包含513个字段数据，其中第0个字段是特殊字段，不包含亮度信息。从第1个到第512个字段包含亮度信息。

在每帧数据的开头都有一个不小于88us的复位，代表这一帧数据的开始，当复位后标记结束，FPGA检测到下降沿时，开始接收字段0，接着字段1一直到字段512。每个字段包含11位数据，其中第0位是起始位，起始位要求必须为0；第1位到第8位是数据位，即亮度信息位；第9位和第10位是数据的停止位，要求停止位必须为1。每接收一个字段都要对它进行错误检测，一旦发现停止位不是1时，应立马放弃当前数据，并停止接收后面的数据。

3.3 控制和显示模块

本系统中采用的是键盘的操控方式，键盘采用矩阵键盘实现，小巧轻便。显示部分采用七段数码管实现，FPGA在处理完数据后，直接将数据送到数码管显示。其流程图如图8所示。

图8 控制和显示设计流程图

当按下按键时要先识别按键，确认是哪个按键按下。通道号共支持512个通道的预设，最大不能超过512，超过即认定设置错误。模式选择共有两种模式，采用不同按键进行切换。

3.4 PWM信号的实现

调光系统的两种模式每次只能选择一个，需要先进行进行模式的选择。

具体的实现步骤如图9所示：

图9 数据选择框图

Data1和Data2分别表示手动模式的亮度数据和调光台调光模式的亮度数据，num为0的时候选择Data1，num为1的时候选择Data2，如果输入的num不为0也不为1，则data保持不变。

图10 PWM信号输出流程图

占空比D为：

(2)

当占空比为0时，LED灯具不亮，占空比为1时，LED灯具达到最亮。

4 系统调试

4.1 测试平台搭建

以cyclone IV 型号FPGA为核心，进行测试环境的搭建。将电位器接上5V电源，输出端接到A/D采集转换模块，A/D采集转换模块选用ADC128S022芯片，A/D采集模块将数据发送到FPGA。调光台通过RS485将数据发送到FPGA。将矩阵键盘接入FPGA，数据在数码管显示。PWM输出引脚连接恒流驱动电路。LED灯组连接恒流驱动电路。