基于RGBW 四色LED 混光实验系统设计

陈宜建 钱雪峰 张苏昕 沈恒如

1 常州信息职业技术学院电子信息工程系，常州213164

2 常州敏杰电器有限公司，常州213172

0 引言

LED 照明是21 世纪最具发展前景的新一代绿色光源，具有效率高、光线质量高、光色纯、能耗小、寿命长、可靠耐用、应用灵活、绿色环保的特性[1-2]。LED 彩光有较强的艺术感，提供舒适的视觉效果，让照明与人们的生活融合地更完美。

文章根据RGBW 四色混光方程组，结合脉冲宽度调制(PWM) 技术对LED 进行调光[3]，推导出色品坐标与PWM 参数的函数关系。利用混光理论和嵌入式系统技术，设计混光实验系统。该系统操作方便，功能强大，应用在教学中，使枯燥的理论变得很直观，有助于学生理解和掌握LED 照明的相关课程[4-5]，很好地解决了实训设备短缺的问题，完善了实训室建设[6]。

1 混光原理

在LED 混光过程中，改变驱动LED 的PWM 占空比，其色品坐标基本不发生改变，而光通量相应地线性变化[7]。工程上为了讨论方便，近似认为光通量与占空比成正比例函数关系，占空比是控制混色光源光（度）色（度）量的唯一因素[8-10]。结合格拉斯曼颜色混合定律和CIE-1931 色度标准，RBGW 四色LED的混光方程组为[11]：

由方程组（2）可知，在确定RGBW 四色LED 的情况下，通过调光级数调整，可以混合出各种需要的彩光。

根据McCamy 公式，LED 混合光源的相关色温CCT 和色品坐标（存在一定的函数关系，由混合光源的色品坐标计算得到色温值[12]。

2 系统硬件设计

根据光色混合原理，通过调节RGBW 四色LED光源各分量的能量，可以改变混合光的光谱分布，实现色品坐标、相关色温和光通量等光色参数变化。本实验系统通过改变RGBW 四色LED 的驱动电流，来控制各路LED 的输出光通量，调节彩光的色品坐标。

系统主要由显示模块、控制模块、按键模块、电源模块、驱动模块和LED 光源构成。显示模块用于显示系统相关设置参数和输出参数。控制模块对混合光参数进行运算，输出控制指令，从而对驱动模块进行控制。驱动模块接受指令，调整各路LED 的输出电流，对LED 光源进行恒流驱动。LED 光源模块通过调整红、绿、蓝和白光LED 的输出光通量，混合出照明所需的彩光和白光。系统总体结构图如图1 所示。

图1 系统结构图

2.1 控制模块

控制模块采用STM32F103VCT6，该处理器是基于Cortex M3 的32 位微处理器，功能强大，资源丰富，共有256 KB 的FLASH 存储器，最高工作频率高达72 MHz，具有单周期乘法和硬件除法，运算速度快，GPIO 功能强大。

系统中，PB 口16 位配置为推挽输出，接TFT 屏的数据引脚，PC 口接TFT 屏控制引脚。PA0 用于发送控制命令，为了消除LED 光源对STM32 干扰，串接肖特基二极管SS34 起反向隔离作用，防止输出端的12 V 电压反向影响输入端。控制模块电路如图2 所示。

图2 控制模块电路

2.2 LED 驱动模块

驱动模块接受控制命令，并将命令转换成恒流输出，从而实现对光源模块控制。驱动模块采用UCS2904B 芯片，芯片的4 个通道，OUTR 接红色LED串、OUTG 接绿色LED 串、OUTB 接蓝色LED 串、OUTW 接白色LED 串，输出端口PWM 控制能够实现256 级亮度调整。芯片采用单线通讯方式，数据传输频率800Kbit/s。将前级芯片的数据输出引脚DO 与后级芯片的数据输入引脚DIN 连接，可以实现芯片间级连。

当芯片接收到复位（RESET）信号时，将接收到的32 位PWM 脉宽数据输出到OUTR、OUTG、OUTB、OUTW 引脚，然后准备接收下一帧数据。当接收完新一帧的32 位数据后，芯片通过DO 引脚将前一帧32位数据转发给后级芯片。

系统采用12 V 供电，为防止光源板带电插拔、电源和信号线反接等情况下损坏芯片，在芯片的信号输入及输出引脚各串接一个120的电阻。为减少地线浪涌干扰芯片，电源和地之间并接一个0.1f 的电容。驱动模块电路如图3 所示。

图3 驱动模块电路图

2.3 LED 光源模块

光源模块由RGBW 四合一、SMD5050 LED 灯珠构成。将0.2 W 的LED 组装在带状柔性线路板（FPC）上，由于FPC 材质柔软，可以任意弯曲、折叠、卷绕，可以在三维空间随意移动及伸缩而且不会折断。适合于不规则和空间狭小的环境中使用，可以有效预防在大量实验过程中损坏光源。每个UCS2904B 芯片驱动3 颗LED 灯珠，整个灯条长30 cm, 共24 颗LED 灯珠，灯条实物如图4 所示。灯条在单独一路工作，满电流情况下，测得光源模块光色参数见表1。

图4 灯条实物图

表1 LED 灯带色度学参数

3 系统软件设计

系统软件主要功能是数据运算和控制，包括主程序和功能模块程序。系统主程序包括：系统初始化，显示操作界面，从模拟EEPROM 中读取参数，参数处理，生成驱动模块控制命令，发送命令；然后读取按键信息，若有按键操作，进行按键处理，并生成新的驱动器控制命令，调整红、绿、蓝和白光输出，得到新的混光效果，并更新系统显示界面。主程序流程图如图5 所示。

3.1 驱动模块控制程序

驱动模块采取8 个USC2904B芯片进行级联构成，每个芯片有4 路LED 输出端，即一组RGBW 输出端。每路输出可采用8 位二进制数设置256 级亮度，因此一组RGBW 需要32 位二进制控制码，数据高位先入，结构见表2。

程序先读取第1 个芯片各路参数，然后组合成32位二进制控制码，由PA0 引脚按位输出到驱动芯片。就这样，软件依次送出各芯片控制码，进行驱动模块的控制。

3.2 控制码设置程序

系统中通过设置UCS2904B 芯片的RGBW 各路PWM 控制参数，并实时发送控制码，调整灯条的混合光效果，可直接观察彩光变化。参数设置顺序是：红（R）、绿（G）、蓝（B）和白（W）。参数设置完后通过FLASH 模拟EEPROM 操作，把数据直接保存在STM32 内部，可防止数据掉电丢失，参数设置程序如图6 所示。

图5 主程序流程图

表2 RGBW 组数据结构

图6 驱动模块程序流程图

4 实验结果与分析

对实验系统进行测试，首先使用远方公司的高精密快速光谱辐射计HAAS-2000 和2.0 m 积分球，对灯条各路在满电流下测试光度学参数，积分球测试如图7所示。接着，把测试参数输入本实验系统，通过按键设置驱动芯片UCS2904B 的各路调光级数，从而调整输出电流，得到混合光的光通量、色品坐标和相关色温等参数，实验结果如图8 所示。

为了对文章设计的实验系统进行验证，使用HAAS-2000 对灯条进行光度学参数测量，并对两种方式测试结果进行分析，得到数据表见表3。

图7 积分球测试图

图8 实验系统测试图

表3 两种方式测量值对比

从表3 可以看出，文章设计的实验系统测试结果与专用仪器相近，色品坐标误差小于0.003，光通量误差小于1 lm, 这些误差均在可接受范围内。

将混合光的色品坐标输入到CIE-1931 色品坐标图中，得到混合光分布图如图9 所示。从图9 中可以看出混光点分布可以任意设置，达到目标光色要求。

5 结语

运用PWM 调光技术，结合占空比与光通量基本成正比的关系，从彩光参数出发，建立色品坐标和相关色温的函数关系。以STM32 微控制器芯片、专用LED 恒流驱动电路和RGBW 四色灯条，设计了混光实验系统。实验表明，通过调节PWM 参数能实现预期的混合光，可以为大范围色品坐标和相关色温调节，提供色度学上的参考。本实验系统在LED 照明课程和创新实践课程中得到应用，使学生学会了应用LED 照明专业知识，嵌入式系统和智能电子产品设计等课程的相关知识，达到了培养学生实践技能的目的。

图9 测试数据分布图