數(shù)字化新穎光源的實現(xiàn)

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

關鍵詞：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照明光源。其實現(xiàn)機理是沿用電視視頻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，在舞臺照明以及一些對光源綠色化和藝術化要求越來越高的場合有非常廣闊的市場前景。

系統(tǒng)構成

Digital Light光源系統(tǒng)由GaAs/Si發(fā)光材料LED組成紅、綠、藍三簇點光源，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。對于R、G、B LED我們以PWM信號方式加以驅(qū)動。對于不同的混色光譜分別控制三路驅(qū)動信號，以產(chǎn)生最佳的光源光譜。以Zilog公司的高性價比MCU——Z86E33為核心，利用手動控制或計算機遠程控制的方法使MCU產(chǎn)生類似視頻顯示的 “R”、“G”、“B” 3路PWM序列脈沖信號，經(jīng)過放大后，驅(qū)動LED（紅、綠、藍），得到適于人類視覺感覺的色飽和度及亮度要求的紅、綠、藍三種視覺顯示基色，適合人類生理要求的照射顏色與照射亮度，以及各種應用場合環(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)濟型MCU，使得所需照射光光譜變化十分靈活。系統(tǒng)以SOP為設計思想，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中實現(xiàn)，魔幻彩燈控制部分見圖1。此外，利用單片機編程特點，實現(xiàn)PWM脈沖多樣化，控制智能化，即可實現(xiàn)多種顏色變化方案，亮度、飽和度自適應，且可使其成為信息家電、現(xiàn)代化娛樂場所照明系統(tǒng)的重要組成部分等諸多功能。系統(tǒng)框圖見圖2。

顯色模型編程實現(xiàn)

Z86E33是Zilog公司推出的一款經(jīng)濟型MCU。它具有：多累加器結構；12/16MHz；24個I/O口；4K ROM；237 Byte RAM；6級中斷和尋址功能；兩路模擬比較器；WDT/POR功能；兩路可編程計數(shù)器及兩路6Bit定標器；RAM、ROM保護功能。

由于這一經(jīng)濟型MCU不提供PWM端口功能，所以在Digital Light的應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R、G、B三基色的照射光強度比例的非線性(CIE計色制），如圖3所示。

由圖3可得物理三基色和計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)中三基色光強以MCU編程對PWM信號脈沖寬度控制實現(xiàn)。

PWM信號產(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、隨機色、水波色，對PWM信號采用了多組實驗模擬。系統(tǒng)中我們利用12個撥碼開關進行手動控制，得到了各種顯色效果，見表1,表2。

表1

表2

系統(tǒng)特點

系統(tǒng)特點如下：

一、充分利用LED發(fā)光原理，實現(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、各種娛樂場所控制中心等互聯(lián)，拓展了照明工具應用的范圍和深度。

四、利用各種光學手段并結合不同結構設計對R、G、B等色光進行漫射、混合等處理，使燈光的顏色、飽和度和亮度達到了一般多色彩照明燈具所達不到的效果。

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

結語

以R、G、B LED構成的Digital Light其光照效果采用了CIE計色制方法，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（如舞臺色彩射燈、廣告藝術效果燈）控制更為靈活方便。以Z86E33MCU的多累加器的特點和編程算法的合理運用使系統(tǒng)更為小巧緊湊，較采用大容量存儲器的其他類型的MCU無論是SOP的結構或是性價比有很大的提高。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的光柵隨時間跌落效應遠優(yōu)于熒光燈，所以這種新型光源在今后的幾年中市場前景相當廣闊。