数字化新颖光源的实现

    摘要：用GaAs/Si高亮聚光LED的Digital Light实现魔幻彩灯，简述了CIE计色制、Digital Light工作原理，论述了软件PWM实现方法，给出了系统框图，说明了系统特点和与传统光源比较的系统优越性。

    关键词：GaAs/Si LED Digital Light PWM编程

引言

    Digital Light是国外近年以GaAs/Si为发光材料制成的一种新颖的舞台照明光源。其实现机理是沿用电视视频R、G、B成象原理。但一改传统的R、G、B电子束轰击荧光材料得到所需光源的方法而是以 LED产生R、G、B点光源，照射于漫射玻璃，形成混合光得到照射光源。这种光源产生与传统的光源(白炽灯、日光灯和钠灯等)相比更具节能性、绿色和光色调的可控制性，以及Digital Light在模拟各种发光光源的光谱和光照的柔和性等方面非常灵活。以这种新发光光源取代传统的照明光源，在舞台照明以及一些对光源绿色化和艺术化要求越来越高的场合有非常广阔的市场前景。

系统构成

    Digital Light光源系统由GaAs/Si发光材料LED组成红、绿、蓝三簇点光源，并按照一定的几何形状排列后投射到漫射介质，产生混色，形成照射光源。对于R、G、B LED我们以PWM信号方式加以驱动。对于不同的混色光谱分别控制三路驱动信号，以产生最佳的光源光谱。以Zilog公司的高性价比MCU——Z86E33为核心，利用手动控制或计算机远程控制的方法使MCU产生类似视频显示的 “R”、“G”、“B” 3路PWM序列脉冲信号，经过放大后，驱动LED（红、绿、蓝），得到适于人类视觉感觉的色饱和度及亮度要求的红、绿、蓝三种视觉显示基色，适合人类生理要求的照射颜色与照射亮度，以及各种应用场合环境所需要的光色等。由于PWM脉冲序列产生采用了Z86E33经济型MCU，使得所需照射光光谱变化十分灵活。系统以SOP为设计思想，充分利用了软件编程的灵活性和技巧性，将各种显色功能以算法模型在Z86E33中实现，魔幻彩灯控制部分见图1。此外，利用单片机编程特点，实现PWM脉冲多样化，控制智能化，即可实现多种颜色变化方案，亮度、饱和度自适应，且可使其成为信息家电、现代化娱乐场所照明系统的重要组成部分等诸多功能。系统框图见图2。

显色模型编程实现

    Z86E33是Zilog公司推出的一款经济型MCU。它具有：多累加器结构；12/16MHz；24个I/O口；4K ROM；237 Byte RAM；6级中断和寻址功能；两路模拟比较器；WDT/POR功能；两路可编程计数器及两路6Bit定标器；RAM、ROM保护功能。

    由于这一经济型MCU不提供PWM端口功能，所以在Digital Light的应用上必须采用软件方法克服这类芯片的功能不足。

    漫射玻璃面上的光谱对R、G、B三基色的照射光强度比例的非线性(CIE计色制），如图3所示。

    由图3可得物理三基色和计算三基色的线性方程：

    （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)

    系统中三基色光强以MCU编程对PWM信号脉冲宽度控制实现。

    PWM信号产生流程见图4。

    为了得到魔幻彩灯所需的固定颜色、水洗色、回声色、随机色、水波色，对PWM信号采用了多组实验模拟。系统中我们利用12个拨码开关进行手动控制，得到了各种显色效果，见表1,表2。

表1

表2

系统特点

    系统特点如下：

    一、充分利用LED发光原理，实现了能量转换(电能到光能)的高效率和降低了照明器件的发热量，这在很大程度上提高了照明工具的寿命。

    二、充分利用PWM调制的灵活性，并可使PWM脉冲频率达到5KHz，甚至更高，使光色非常柔和。

    三、通过RS232接口和I2C 总线与信息家电控制中心、各种娱乐场所控制中心等互联，拓展了照明工具应用的范围和深度。

    四、利用各种光学手段并结合不同结构设计对R、G、B等色光进行漫射、混合等处理，使灯光的颜色、饱和度和亮度达到了一般多色彩照明灯具所达不到的效果。

    五、根据不同层次的需求，可开发出大批的不同性能价格层次的照明系统，极具灵活性。

结语

    以R、G、B LED构成的Digital Light其光照效果采用了CIE计色制方法，使其光谱的灵活调节性大为提高， MCU的智能控制方式使得这类光源的光照特性较传统的多色彩照射光源（如舞台色彩射灯、广告艺术效果灯）控制更为灵活方便。以Z86E33MCU的多累加器的特点和编程算法的合理运用使系统更为小巧紧凑，较采用大容量存储器的其他类型的MCU无论是SOP的结构或是性价比有很大的提高。此外，Digital Light的GaAs/Si LED的电光转换效率较之传统光源电光转换效率有很大程度的提高，故这也是一种低能耗的新型光源。LED的光栅随时间跌落效应远优于荧光灯，所以这种新型光源在今后的几年中市场前景相当广阔。