引言

随着科技日新月异的发展，彩灯作为一种景观，可以增添节日气氛，也可以用在舞台上增强晚会的灯光效果，还可以作为广告宣传。在所有的光源中， LED光源以其节能、寿命长等显著优点，在以上应用领域中充当越来越重要的角色。LED光源具有极佳的视觉感染力，色彩柔和，动感效果丰富；同时LED采用低电压运行，安全可靠，在节能、使用寿命和维护成本方面，相对于霓虹灯等其他光源来说具有无可比拟的优势。另外从国家发展规划来看，节能、长寿、低维护成本的LED光源将成为主流产品。

目前，在装饰照明领域中超高亮LED正在被逐步推广，然而还存在着成本高、花色编辑周期长、不灵活、施工维护不方便等缺陷。为了能够有效地解决这些问题，将彩灯节点系统连接起来，充分展现LED灯光的魅力，设计了一种新型的基于网络总线控制的LED全彩灯光控制系统。

1系统总体结构

基于总线的可编程LED全彩灯光控制系统分为三部分：彩灯表演编辑部分（上位机）、网络控制部分（中继器）和LED单元控制部分（彩灯节点）。其总体结构如图1所示。

图1LED全彩灯光控制系统总体结构

(1) 彩灯表演编辑部分

彩灯表演编辑部分是控制系统和用户的交互界面，用户可以根据实际需求设置彩灯的样式、布局（如设置彩灯组数和每组彩灯个数等），彩灯的点亮动作（如常规的颜色跳变、渐变、彩虹滚动等），以及对设计的样式进行预览、保存和调用等。编辑系统将根据特定的效果，计算每个控制单元的颜色数据，最终生成用于表演的光效播放文件。

(2) 网络控制部分

网络控制部分是控制系统的纽带，主要实现数据转发，扩大通信距离，增加所带彩灯节点最大数目等功能。系统采用两级网络控制技术，即上位机与中继器之间采用CAN总线传输方式，具有传输速度快(通信速率可达1 Mb/s)、自动解决总线竞争、实时性好、可靠性高、纠错能力强等特点；而中继器与彩灯节点之间采用RS485总线传输方式。作为一种多点差分数据传输的电气规范，RS485通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，它具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性等综合性能是其他总线标准所无法比拟的。

（3）LED单元控制部分

LED单元控制部分是以超高亮红（R）、绿（G）、蓝（B）LED作为光源，每个彩灯都具有1个嵌入式微控制器，按占空比方式实现对若干个红、绿、蓝LED发光灰度独立的数字化控制，使其产生全彩动态变化效果。相对于以往的模拟量调光技术和数字量七彩LED控制方式，本技术具有效果好、成本低的优势。

系统各部分之间的关系为：用户根据需求在上位机编辑彩灯图案，生成光效播放文件，并以压缩信息的方式发送；网络控制部分从CAN总线接口上接收上位机发来的压缩信息，将信息解压后，通过RS485通信接口转发到彩灯节点。由于CAN总线上最多能挂接32个中继器，而每个中继器上最多能通过RS485协议挂接32个彩灯，所以该彩灯控制系统可以允许接多达32×48个彩灯节点。

2硬件电路设计

新型的LED全彩灯光控制系统硬件主要包括两大部分：中继器模块和LED单元控制模块。

2.1中继器模块电路设计

2.1.1中继器系统框图

中继器采用P89C52X2BN作为微处理器，在CAN总线通信接口中，采用Philips公司的SJA1000和TJA1050芯片。其中SJA1000是CAN通信控制器，TJA1050为高性能的CAN总线收发器。中继器系统结构框图如图2所示。

图2微控制器与CAN控制器连接电路图

2.1.2中继器硬件原理

（1） 微控制器与CAN控制器连接电路

微处理器通过软件实现SJA1000的初始化，以及控制SJA1000实现数据的接收和发送等。SJA1000是一个独立的CAN控制器，它在汽车和普通工业应用上有先进的特征，由于它与PCA82C200的硬件和软件都兼容，因此将替代PCA82C200。SJA1000有一系列先进的功能，适合于多种应用，特别在系统优化、诊断和维护方面非常重要。它有两种不同的操作模式： BasicCAN模式和PeliCAN模式。本设计采用的是PeliCAN模式，该模式能够处理所有CAN2.0B规范的帧类型。在本设计中，SJA1000的片选由微控制器的P2.7口控制，微控制器与CAN控制器的电路连接如图3所示。

图3微控制器与CAN控制器连接电路

（2） CAN总线收发器电路

本设计采用TJA1050作为CAN 协议控制器和物理总线之间的接口，它是PCA82C250 高速CAN 收发器的后继产品。TJA1050主要应用在波特率范围从60 kbps 到1 Mbps 的高速汽车应用中，可以为总线提供差动的发送功能，为CAN 控制器提供差动的接收功能，而且完全符合"ISO 11898" 标准。SJA1000通过一条串行数据输出线（TXD）和一条串行数据输入线（RXD）连接到TJA1050收发器，而TJA1050则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线线路。另外，本系统中采用光电耦合器件6N137（满足最高速率1 Mbps下的电气响应）来实现收发器与控制器之间的电气隔离，可抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响。CAN总线收发器相关硬件连接电路如图4所示。

图4中继器系统硬件电路

（3） 供电系统电路

为了保证系统能够可靠工作，提高抗干扰性能，本系统采用两组电源供电方式：LDO芯片LM2575T模块电路为系统供电；电压输入隔离非稳压单输出型DC/DC模块B0505S1W为收发器电路供电。它能够提供≥1000 V的DC隔离电压和≤200 mA的电流。中继器供电系统电路如图5所示。

图5中继器供电系统电路

2.2LED单元控制模块电路设计

2.2.1LED单元控制模块系统结构

LED单元控制模块中，对于每个彩灯节点，采用与8051系列兼容的8位单片机AT89C4051作为控制核心，通过RS485总线与中继器相连，接收来自上位机的命令。另外通过三路PWM输出完成对R、G、B三基色二极管的控制，实现对单个彩灯的控制。其系统框图如图6所示。

图6LED单元控制模块系统框图

2.2.2LED单元控制硬件原理

LED单元控制系统采用五类双绞线的总线供电方式，来提供+24 V电压给每个彩灯节点。彩灯的LED直接采用+24 V供电，而各芯片则需要+5 V供电。为了提供稳定的+5 V电压，系统采用开关电源芯片LM2575T，它将+24 V电压转换为+5 V，转换效率高，功耗低，能够提供 1 A的输出电流，满足系统的需求。

中继器与节点之间采用RS485总线连接，节点采用MAX487EPA作为收发器。MAX487EPA具有低电流关断模式，仅消耗0.1 μA电流。

输出采用三极引驱动，通过P1口引脚连接NPN型三极管S8050的基极来控制三极管的导通；通过软件控制P1口输出电平的周期和占空比，实现软件PWM输出。LED单元控制模块硬件电路如图7所示。

图7LED单元控制模块硬件电路

3软件设计

新型的LED全彩灯光控制系统软件主要包括3大部分： 彩灯表演编辑部分中的花色编辑信息处理、中继器传输控制以及LED单元点亮控制。这里主要对后两部分的软件设计作简单的介绍。图8为彩灯表演编辑应用程序实例演示界面。

图8彩灯表演实例演示界面

3.1中继器软件设计

中继器程序采用循环查询的方式接收CAN总线上传来的数据，并将数据缓存在RAM中。当接收到结束帧时，启动RS485协议转发程序将RAM中缓存的数据转发给中继器连接的节点，其中CAN控制器SJA1000必须在上电或硬件复位后设置CAN通信。其软件流程如图9所示。

图9中继器软件流程

3.2彩灯节点软件设计

(1) PWM输出

一般当频率高于50 Hz时，人眼就基本感觉不到灯光的闪烁了。本系统中的PWM频率控制采用100 Hz，PWM的占空比为16级可调，即每种颜色灯的亮度为16级。一共可以显示16×16×16=4 096种颜色。采用定时器中断的方式来产生PWM波形。输出采用晶体管驱动，通过P0口引脚连接NPN型晶体管S8050的基极来控制晶体管的导通，通过软件控制P0口输出电平的周期和占空比，实现软件PWM输出。

（2） 多机通信

RS485通信采用多机通信模式，每个彩灯节点有各自的地址，系统上电时自动读取设定值。

结语

基于总线的可编程LED全彩灯光控制系统采用自制的中继器和彩灯节点控制系统，友好的人机交互界面，用户可方便地对LED进行组态、编辑、修改、演示预览、保存及播放。目前该产品已经通过了认证，并投入生产。与其他同类产品相比，该产品具有图案动感效果丰富、操作灵活、施工简单、节能省电、成本低及运行安全可靠、使用寿命长等优点， 因此可以预计该产品具有广阔的市场前景。 当然，今后还将在产品的优化方面做进一步的工作。