2015, Vol. 32
2. 广州市浩洋电子有限公司，广东 广州 511450
2. Guangzhou Hao Yang Electronic Co., Ltd., Guangzhou 511450, China
随着文化产业的发展和人们生活水平的提高，舞台灯应用越来越广泛.相对传统舞台灯具，现代舞台灯成为一种含光学、机械、电子、电气以及计算机控制等多学科交叉技术的设备[1]；另一方面，伴随卤钨灯、金卤灯等离子体光源和LED光源等舞台灯具产品的问世，舞台灯在节能、色彩、体积和寿命等性能方面也得到显著提高.其中LED凭借其节能高效、响应时间快、性能稳定、寿命长、显色性良好等优点[2]，成为舞台灯一种良好选择.目前流行的LED舞台灯采用四色单独控制，能根据场地和节目要求，形成快速的光效组合变化，以达到完美的灯光气氛效果[3].在广州亚运会、伦敦奥运会和节假日演出等大型舞台会场的LED灯光应用效果令人印象深刻，使其在现代舞台照明中占有一席之地.
与此同时，舞台灯的功能和性能要求也越来越高，尤其是对速度、可靠性、稳定性和性价比等要求.以往的舞台灯控制系统采用8位CPU的单片机，指令执行速度低，运行速度慢，片上资源有限，时钟系统不能够选择和进行分频处理，需采用多片单片机完成相应显示调光和运动控制等功能，无法进行复杂运动控制场合的实时数据运算等[4].因此，难以满足舞台灯控制系统日益增加的功能性、复杂性和实时控制的要求.随着计算机、网络及通信技术的发展，32位嵌入式控制系统以其体积小、速度快、功能强、价格不断下降等特点，已在工业控制、消费电子、医疗器械等诸多领域得到了广泛的应用[5].美国TI公司生产的STM32F103系列单片机，具有32位的CPU，有强大的处理能力，有11路定时器，6路PWM输出，多达112个快速I/O端口，丰富的片内外设接口和方便灵活的开发手段[6].
为了进一步提高LED摇头灯舞台灯产品性能和可靠性，采用32位的嵌入式STM32F103芯片控制，简化电路，对系统整体电路、运动控制方式、调光方式和温度保护等进行优化设计及实验，提高灯具的控制性能、功能和可靠性.而且延长灯具寿命，提高控制精度，灵活实现各种灯光效果.
1 系统整体控制LED舞台灯具控制系统主要控制两轴的灯头旋转运动、四色LED调光和联网控制.原系统采用3片8位AVR单片机，第1片用于参数输入和显示、温度保护及联网通信等；第2片控制红绿蓝白四路LED驱动；最后一片控制水平、垂直运动步进电机及风扇电机.3个CPU相互通信和协调控制.3个8位单片机的组成方式，硬件较复杂, 数据要相互交换和通信，降低可靠性、延长工作时间.另外由于采用8位运算，无法实现更加高速运算以达到更好的运动效果.现采用1片以STM32F103单片机为核心的微处理控制系统，该单片机为32位处理器，主频达74 MHz，带有高级定时器、编码器接口电路、ADC转换电路等功能[7]，控制系统结构如图 1所示.
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图 1 优化后舞台灯控制系统结构图 Figure 1 The system structure of optimized stage lights control |
1片CPU取代原来3片AVR单片机，大大减小外部电路和软件的复杂性，CPU通过RDM协议和控制台通信，使联网系统更加实时快速、控制灯具节点容量更大[8]；软件功能更加强大，控制方便精确，可以进行快速运算，便于采用S型加减速和细分动作控制驱动水平、垂直步进电机[9]；CPU控制更加多级的PWM调光信号，精确控制LED发光亮度，并增加多个热敏电阻检测LED温度，更加安全保护灯具.优化后的软件系统，大大简化了系统程序，减少了初始化和通信时间，提高实时性和稳定性.系统软件流程如图 2所示，系统主程序在完成初始化工作之后，等待外部中断，当检测到外部中断之后，调用相应的子程序模块.
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图 2 系统程序流程图 Figure 2 System program flow chart |
还采取了一系列抗干扰措施，采用PFC和DC/DC级合二为一的开关电源，提高输入功率因素，减少电流谐波畸变；而且体积小，成本低[10].此外，为减少辐射干扰，开关电源的磁场屏蔽采用铁磁材料[11].另外由于灯内结构复杂，线路密集细长，电源容易跌落和受到干扰，现采用三级电源稳压方式，不仅容易实现稳压，而且具有较高电源效率.
2 调光控制与温度保护 2.1 调光控制为了避免色差，白光LED调光一般采用PWM方式，但传统的单相PWM调光方式应用在多路LED驱动时，会存在很大的负载电流变化，加大对转换器的要求[12].优化前系统采用8位定时器，只可实现256级的调光.现采用STM32F103芯片，主频率达到74 MHz，具有16位定时器，大大提高PWM分辨率，多达65 536级的连续调光.此外，优化前系统采用HV9910驱动芯片，缺少过压、过流保护，且放电过程不在IC监控下工作，容易造成误操作.设计采用MBI6661恒流源的驱动芯片，不仅高精度输出，而且具有过热、欠压锁定, 启动过电流、输出过电流、LED开路与短路等保护.
PWM调光控制主要有CPU控制电路和MBI6661恒流驱动电路两部分，MBI6661驱动电路原理图如图 3所示.MBI6661仅须通过5个外接组件即可为大电流的LED照明提供稳定电流，串接驱动12颗LED，效率可达97%.其输出电流可通过不同阻值的外接电阻来调整各输出级的电流大小，而且在DIM脚连接由CPU接收LED舞台灯光操作器发送的RDM灯光数据所产生占空比可调的PWM信号进行调光控制，从而控制LED灯的明暗变化.
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图 3 MBI6661电路原理图 Figure 3 MBI6661 circuit principle diagram |
系统采用大功率3 W RGBW LED光源数从数十到百多颗，面积超过400 cm2，分布较密.光源虽处在较封闭的空间，温度较均匀, 但原先仅采用1个热敏电阻检测灯具光源温度，对检测较远距离的光源温度的误差较大.若部分光源长时间处于高温状态，将加速灯具老化且降低输出功率，影响输出效果.现采用嵌入式STM32F103芯片后，热敏电阻数为5个，实时性提高，而且大大提高光源工作的稳定性.
温度保护控制工作原理：当检测点温度变化时，R阻值相应变化，从而导致电压值变化，经A/D转换，CPU实时检测数值变化，并将采集到的数值与设置的阈值进行比较，当检测点值超过阈值时间较短时，CPU只需通过提高风扇转速提高散热，若长时间高于阈值，则CPU提高风扇转速，并调节PWM控制信号减小LED的平均驱动电流，以确保LED安全工作，从而达到保护灯具的目的.
3 运动控制舞台灯光要求快速准确定位运动，使图案变化均匀，失步和过冲现象是影响运动效果的重要因素，优化前采用直线型加减速控制，图案连续变化平滑性低且噪声稍大[13].为使图案变化更平滑，提高运动精度、降低噪声，系统现采用S型加减速算法及细分控制.由于S型曲线算法复杂，计算量大，而细分控制需要具有高频率的PWM，这都要求控制器具有较强运算能力、较快执行速度，此外，每轴分别采用双光电开关检测同轴码盘运动脉冲，用于检测旋转位置，应用磁敏作为原点定位检测；在这些应用范围内，高主频的32位CPU的STM32F103芯片完全可以满足要求.
3.1 步进电机S型加减速控制因水平、垂直步进电机所要带动的机身质量较重且体积大，运用直线型和指数型加减速控制在高速运行时出现柔性冲击.因此系统采用S型加减速控制优化，使系统具有快速平稳运行和噪声小等优点[14]，减小磨损并延长灯具寿命.图 4和图 5所示分别为行程位置程序流程图和S加减速程序流程图，首先，行程位置程序预设好加减速的距离和标志位，再调用模块化的子程序，使程序更加简洁和高效.并且采用PWM电流控制中断程序，通过查找步距角细分表和电流-PWM对应表，得到每一时刻步进电机细分步距的输出电流.
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图 4 行程位置程序流程图 Figure 4 Stroke position program flow chart |
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图 5 S加减速程序流程图 Figure 5 S acceleration & deceleration program flow chart |
细分控制是由驱动器精确控制步进电机的相电流实现，步进电机在细分状态下运行，由于步距角变小，转子到达新稳态点所具有的的动能也变小，从而使振动显著减小[15].
这里采用64细分，通过PWM方式控制电流，假如电机的步距角1.2°，额定相电流1.5 A，其绕组内的电流从0到1.5 A或从1.5 A到0，需要经过64步，即电机的运转分辨率为每个脉冲约0.019°，提高步进电机的步距分辨率，减少转矩波动.大大改善电机的低频振动和噪音[16].
4 实验结果针对优化后系统进行调光、运动控制、图案变化效果、温度、抗干扰等多方面性能测试，均获得较满意效果.现具体就调光及运动控制实验，分析PWM调光曲线、定位精度和噪声大小.
PWM调光测试，系统采用108颗四单色RGBW混色光源，4路调光，测试条件：调光PWM信号的频率为600 Hz方波，幅值为5 V，灯距离成像点5 m，颜色白光.图 6为LED电流与照度特性曲线.
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图 6 LED电流与照度特性曲线 Figure 6 The characteristic curve of LED current with illumination |
理论上，完美调光曲线是条直线，倾斜角度一致，从曲线图 6可知，初始时，电流的值较小，照度较低，亮度较暗，人眼几乎感觉不到光线的变化，随着电流值的增大，电流与照度值曲线图几乎为一条直线，调光曲线图较好.
运动定位控制试验，灯具水平旋转540°，垂直旋转270°，水平全程旋转用时3.2 s，垂直全程旋转用时2.4 s.测试条件为：灯距离成像点5 m，运行扫描程序100%速度，时间10 min/次.共进行8次定位试验数据测量，产生的误差(cm)分别为：下移5、右移7、右移4、右移2、下移5、左移5、上移3、左移4.
取上述偏移角度平均值为0.501°，即扫描位置重复精度0.501°，相当于在5 000 mm射距上的偏差约为43.72 mm.
运动噪声控制试验，表 1为水平步进电机直线加速度与S曲线加速度比较，测试条件为64细分，每圈128 000个脉冲.
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表 1 水平步进电机直线加速度与S曲线加速度比较 Table 1 Comparison between level stepper motor linear acceleration and S curve acceleration |
S曲线的最高加速度a和最高速度比直线都大，其加速度的变化率a2远远小于直线加速，在加减速阶段牺牲一些运行时间，但是在1圈以上的距离就明显加快，系统运行平稳和噪声降低明显，其噪声可控制在38 dB内，大大小于产品规定的55 dB.
5 结论采用STM32F103控制LED舞台灯后，通过优化设计和实验，使控制系统性能得到大大提升，主要表现在：(1)采用1片32位的ARM CPU芯片代替3片单片机，成本略高，但占整个灯具比重不高，外围线路减少，软件功能集中，减少了系统受到干扰的可能性，大大提高了控制系统可靠性、实时性和控制性能；(2)采用S型算法、细分控制、闭环控制，提高了系统的运动图案平滑连续、定位准确、噪声小及延长机械结构寿命；(3)全范围连续调光且调光丰富，多达65 536级，进一步丰富了舞台灯调光的等级和柔和度，实现节能控制的目的，而且温度检测更加准确，保护LED光源.该系统技术已经应用到浩洋公司的摇头舞台灯BLZ370、OV12Q等多款产品中，经济效益显著，应用前景广阔.
| [1] |
易理告. 基于嵌入式系统的24通道舞台电脑灯控制系统的设计[D]. 广州: 广东工业大学机电工程学院, 2007.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11911-2007124129.htm
|
| [2] |
Makoto B, Keiichi S. Latest trends in LED lighting[J].
Electronics and Communications in Japan, 2012, 95(1): 1-7.
DOI: 10.1002/ecj.v95.1. |
| [3] |
付进华. 基于同步DMX512协议的嵌入式LED控制系统的研究[D]. 广州: 广东工业大学自动化学院, 2011.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-11911-1011149075.htm
|
| [4] |
李改海. 基于嵌入式的舞台灯光控制系统研究[D]. 大庆石油学院计算机与信息技术学院, 2010.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10220-2010156408.htm
|
| [5] |
Song Q, Sun Y. ARM9-Based control system for LED large screen display[C]//2010 Third International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems. Washington D C: IEEE Computer Society, 2010: 217-220.
|
| [6] |
陈城. 基于STM32的温湿度检测系统[D]. 武汉: 武汉科技大学信息科学与工程学院, 2012.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10488-1012460653.htm
|
| [7] |
李玉娟. 基于STM32的变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现[D]. 成都: 西南交通大学电气工程学院, 2013.
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10613-1013251929.htm
|
| [8] |
吕建平, 孔亮, 曹发海. 二相混合式步进电机的高性能驱动器研究[J].
单片机与嵌入式系统应用, 2013(9): 16-18, 25.
Lü J P, Kong L, Cao F H. High performance driver research for two-phase hybrid stepper motor[J]. Microcontroller and Embedded Systems, 2013(9): 16-18, 25. |
| [9] |
肖志强, 段永顺. 在灯光设备中实现RDM[J].
演艺科技, 2011(10): 12-15.
Xiao Z Q, Duan Y S. Realization of RDM in lighting design[J]. Entertainment Technology, 2011(10): 12-15. |
| [10] |
马祖怀. 大功率白光LED驱动研究以及驱动电路设计[D]. 西安: 西安电子科技大学通信工程学院, 2012.
http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y2067023
|
| [11] |
彭颖茹, 蒋伟楷, 林学贵, 等. UHP光源舞台灯具控制系统抗干扰技术[J].
自动化与信息工程, 2012(3): 42-45.
Peng Y R, Jiang W K, Lin X G, et al. Anti-Interference of UHP lamp stage lighting control system[J]. Automation and Information Engineering, 2012(3): 42-45. |
| [12] |
Hwu K I, Tu W C. LED dimming with efficiency considered[J].
Electronics Letters, 2011, 47(7): 457-459.
DOI: 10.1049/el.2011.0025. |
| [13] |
王勇, 王伟, 杨文涛. 步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用[J].
控制工程, 2008(5): 576-579.
Wang Y, Wang W, Yang W T. Control system design of acceleration and deceleration curves of stepping motor and its application[J]. Journal of Control Engineering, 2008(5): 576-579. |
| [14] |
董亮辉, 刘景林, 李昱. 步进电机宽调速多细分控制系统研究[J].
测控技术, 2012, 31(1): 66-69.
Dong L H, Liu J L, Li Y. Research on stepper motor control system with wide speed range and step subdivision[J]. Measurement and Control Technology, 2012, 31(1): 66-69. |
| [15] |
刘梦亭. 基于FPGA控制的步进电机细分驱动系统[D]. 广州: 广东工业大学自动化学院, 2008.
http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-GWDZ201601035.htm
|
| [16] |
张碧陶, 高伟强, 沈列, 等. S曲线加减速控制新算法的研究[J].
机床与液压, 2009, 37(10): 27-29.
Zhang B T, Gao W Q, Shen L, et al. The study of new S-curve ccelaration/decelaration arithm etic[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2009, 37(10): 27-29. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3881.2009.10.009. |