數(shù)字化新穎光源的實(shí)現(xiàn)

摘要：用GaAs/Si高亮聚光LED的Digital Light實(shí)現(xiàn)魔幻彩燈，簡述了CIE計(jì)色制、Digital Light工作原理，論述了軟件PWM實(shí)現(xiàn)方法，給出了系統(tǒng)框圖，說明了系統(tǒng)特點(diǎn)和與傳統(tǒng)光源比較的系統(tǒng)優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：GaAs/Si LED Digital Light PWM編程

引言

Digital Light是國外近年以GaAs/Si為發(fā)光材料制成的一種新穎的舞臺(tái)照明光源。其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是沿用電視視頻R、G、B成象原理。但一改傳統(tǒng)的R、G、B電子束轟擊熒光材料得到所需光源的方法而是以 LED產(chǎn)生R、G、B點(diǎn)光源，照射于漫射玻璃，形成混合光得到照射光源。這種光源產(chǎn)生與傳統(tǒng)的光源(白熾燈、日光燈和鈉燈等)相比更具節(jié)能性、綠色和光色調(diào)的可控制性，以及Digital Light在模擬各種發(fā)光光源的光譜和光照的柔和性等方面非常靈活。以這種新發(fā)光光源取代傳統(tǒng)的照明光源，在舞臺(tái)照明以及一些對(duì)光源綠色化和藝術(shù)化要求越來越高的場(chǎng)合有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

系統(tǒng)構(gòu)成

Digital Light光源系統(tǒng)由GaAs/Si發(fā)光材料LED組成紅、綠、藍(lán)三簇點(diǎn)光源，并按照一定的幾何形狀排列后投射到漫射介質(zhì)，產(chǎn)生混色，形成照射光源。對(duì)于R、G、B LED我們以PWM信號(hào)方式加以驅(qū)動(dòng)。對(duì)于不同的混色光譜分別控制三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以產(chǎn)生最佳的光源光譜。以Zilog公司的高性價(jià)比MCU——Z86E33為核心，利用手動(dòng)控制或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的方法使MCU產(chǎn)生類似視頻顯示的 “R”、“G”、“B” 3路PWM序列脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大后，驅(qū)動(dòng)LED（紅、綠、藍(lán)），得到適于人類視覺感覺的色飽和度及亮度要求的紅、綠、藍(lán)三種視覺顯示基色，適合人類生理要求的照射顏色與照射亮度，以及各種應(yīng)用場(chǎng)合環(huán)境所需要的光色等。由于PWM脈沖序列產(chǎn)生采用了Z86E33經(jīng)濟(jì)型MCU，使得所需照射光光譜變化十分靈活。系統(tǒng)以SOP為設(shè)計(jì)思想，充分利用了軟件編程的靈活性和技巧性，將各種顯色功能以算法模型在Z86E33中實(shí)現(xiàn)，魔幻彩燈控制部分見圖1。此外，利用單片機(jī)編程特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)PWM脈沖多樣化，控制智能化，即可實(shí)現(xiàn)多種顏色變化方案，亮度、飽和度自適應(yīng)，且可使其成為信息家電、現(xiàn)代化娛樂場(chǎng)所照明系統(tǒng)的重要組成部分等諸多功能。系統(tǒng)框圖見圖2。

顯色模型編程實(shí)現(xiàn)

Z86E33是Zilog公司推出的一款經(jīng)濟(jì)型MCU。它具有：多累加器結(jié)構(gòu)；12/16MHz；24個(gè)I/O口；4K ROM；237 Byte RAM；6級(jí)中斷和尋址功能；兩路模擬比較器；WDT/POR功能；兩路可編程計(jì)數(shù)器及兩路6Bit定標(biāo)器；RAM、ROM保護(hù)功能。

由于這一經(jīng)濟(jì)型MCU不提供PWM端口功能，所以在Digital Light的應(yīng)用上必須采用軟件方法克服這類芯片的功能不足。

漫射玻璃面上的光譜對(duì)R、G、B三基色的照射光強(qiáng)度比例的非線性(CIE計(jì)色制），如圖3所示。

由圖3可得物理三基色和計(jì)算三基色的線性方程：

（X）=0.4185?-0.0912(G)+0.0009(B)

(Y)=-0.1587?-0.2524(G)+0.0025(B)

(Z)=-0.0828?+0.0157(G)+0.01786(B)

以及

（R）=2.7689(X)+1.0000(Y)+0.0000(Z)

(G)=1.7518(X)+4.5907(Y)+0.0565(Z)

(B)=1.1302(X)+0.0601(Y)+5.5943(Z)

系統(tǒng)中三基色光強(qiáng)以MCU編程對(duì)PWM信號(hào)脈沖寬度控制實(shí)現(xiàn)。

PWM信號(hào)產(chǎn)生流程見圖4。

為了得到魔幻彩燈所需的固定顏色、水洗色、回聲色、隨機(jī)色、水波色，對(duì)PWM信號(hào)采用了多組實(shí)驗(yàn)?zāi)M。系統(tǒng)中我們利用12個(gè)撥碼開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制，得到了各種顯色效果，見表1,表2。

表1

表2

系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

一、充分利用LED發(fā)光原理，實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換(電能到光能)的高效率和降低了照明器件的發(fā)熱量，這在很大程度上提高了照明工具的壽命。

二、充分利用PWM調(diào)制的靈活性，并可使PWM脈沖頻率達(dá)到5KHz，甚至更高，使光色非常柔和。

三、通過RS232接口和I2C 總線與信息家電控制中心、各種娛樂場(chǎng)所控制中心等互聯(lián)，拓展了照明工具應(yīng)用的范圍和深度。

四、利用各種光學(xué)手段并結(jié)合不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)R、G、B等色光進(jìn)行漫射、混合等處理，使燈光的顏色、飽和度和亮度達(dá)到了一般多色彩照明燈具所達(dá)不到的效果。

五、根據(jù)不同層次的需求，可開發(fā)出大批的不同性能價(jià)格層次的照明系統(tǒng)，極具靈活性。

結(jié)語

以R、G、B LED構(gòu)成的Digital Light其光照效果采用了CIE計(jì)色制方法，使其光譜的靈活調(diào)節(jié)性大為提高， MCU的智能控制方式使得這類光源的光照特性較傳統(tǒng)的多色彩照射光源（如舞臺(tái)色彩射燈、廣告藝術(shù)效果燈）控制更為靈活方便。以Z86E33MCU的多累加器的特點(diǎn)和編程算法的合理運(yùn)用使系統(tǒng)更為小巧緊湊，較采用大容量存儲(chǔ)器的其他類型的MCU無論是SOP的結(jié)構(gòu)或是性價(jià)比有很大的提高。此外，Digital Light的GaAs/Si LED的電光轉(zhuǎn)換效率較之傳統(tǒng)光源電光轉(zhuǎn)換效率有很大程度的提高，故這也是一種低能耗的新型光源。LED的光柵隨時(shí)間跌落效應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于熒光燈，所以這種新型光源在今后的幾年中市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。