基于微控制器简化照明应用的设计

商业照明的独特之处在于，在典型的商业建筑中发生了各种各样的任务。由此产生的向LED和高效照明的转变为简单的照明控制带来了计算机化的复杂性。新型高效照明的标志是照明模式和刷新周期的数字脉冲宽度调制（PWM）。数字控制对于高压直接控制照明和低压照明都很常见。

为了解决多种应用问题，不仅要使用多个灯泡，还要在同一个灯具中使用多种颜色的光源，而这些灯光又需要进行混合才能产生各种照明效果。这些混合和控制功能由嵌入式微控制器解决方案处理，包括照明灯具和用户控制界面。

商业照明任务

如今的大多数商业照明都是由大型管状冷白（蓝色）荧光灯组成。这些照明光源包括用于天花板面板中办公桌和办公空间的顶部照明，支配小隔间和办公桌的柜台灯，以及用于会议区，车库，楼梯间和高天花板应用的开放式高瓦数灯（见图1和2）。这些灯的主要功能是“日光模拟”，阴影最少。

图1：吊顶灯。

图2：大面积照明。

这些灯通常具有开关功能，并且每天开启超过16小时。高顶灯 - 通常用于会议区域和大型入口 - 也可能包括调光控制。商业空间的增长趋势涉及通过窗户和开放空间引入的阳光补充动力照明。这些建筑特征正在推动所用照明类型的重大变化。

建筑照明的目标是区域的光覆盖均匀性。然而，自然光的颜色，强度和方向全天都在变化，但至少强度可以通过百叶窗和窗帘来控制。结果，在桌子和天花板上的填充照明被大量使用。这些填充装置倾向于用调光器控制，以帮助优化房间的光平衡。

基于传感器的解决方案和挑战

随着公司向这些混合照明环境迈进，他们还通过使用室内传感器来确定“开启16小时”问题，以确定如果房间正在使用，请添加。这些系统不是使用手动“人工操作”调光器做出这些决定，而是使用远程和本地嵌入式微控制器来确定正确的照明应该是什么。

微控制器的关键输入是基于传感器反馈的定义状态表。这些系统没有大型复杂的GUI，但通常具有简单的触摸屏或按钮。他们也可能没有展示和自主工作。传感器向MCU传达关于亮度水平，运动和接触的信息，尽管一些传感器可以提供具有颜色识别的全照片成像。

新的控制功能

随着新传感器的推出，也采用了新的照明类型。 LED和OLED/AMOLED灯的兴起增加了照明的复杂性以及可用选项的数量。

传统灯具有单色可供选择。整个灯串/灯管/灯泡/灯具使用共同的启动电路并产生单一基色，通常由容器中气体和灯丝材料的化学组合定义。然而，LED是小尺寸的电子灯，可以以不同图案的阵列混合以产生大面积光源。结果，可以将不同峰值颜色的光混合在一起。 LED的颜色范围从单色（如蓝色，红色，绿色，橙色，黄色和琥珀色）到白色的多种色温。

有新的混合颜色模块 - 白色和琥珀色;白色，红色，绿色和蓝色;白色，琥珀色，黄色和蓝色;和白色的多个色温。这些混合光源为模块中的每个LED使用单独的PWM控制和驱动器，并且还可以组合成用于大面积覆盖的串。混合颜色以提供特定的输出颜色是直接的并且可以产生混合表，该混合表识别特定LED需要的任何驱动器控制以便产生特定的光颜色和强度。

微控制器选项

对于照明应用，有四种基本类别的环境使用微控制器：电池或线电压操作，带或不带显示器。 MCU确定照明情况和适当的响应。 LED和其他照明的实际PWM驱动由驱动器IC（如Infineon Technologies ILD4120驱动器）处理。英飞凌驱动器是专为LED应用而优化的降压转换器，如图3所示。

图3：英飞凌ILD4120 LED控制器框图（由英飞凌科技公司提供）。

目标照明应用的大多数开发套件都基于ARM®内核。核心通常是CortexTM-M0和Cortex-M3核心;但是，对于某些先进的照片和图像处理应用，可以使用Cortex-M4（包括DSP）。可从Digi-Key的恩智浦半导体公司获得的Cortex-M处理器可作为单独组件，在应用板上或作为整个开发系统的一部分提供。这些部件设计有许多占位面积和功率因数。恩智浦微控制器可带或不带显示驱动器，范围从大型Cortex-M4设计（LPC4300）到最小的Cortex-M0（带有16位指令的32位数据）。恩智浦的LPC1200还具有5 mm2的小尺寸和简化的易编程指令集（见图4）。

图4：Cortex-M0与Cortex-M3指令集的比较（由NXP Semiconductors提供）。

由于某些照明控制模块是改装项目，因此通常必须使用电池供电的系统运行。这些部件需要不同类型的微控制器 - 一个针对功率而非速度进行了优化。大多数照明控制功能发生在2到4秒的范围内，需要在不到500毫秒的时间内获取要处理的数据。在这些时间范围内，可以使用基于ARM的超低功耗微控制器，例如Energy Micro的Gecko系列。这些微控制器具有能量管理系统，低功耗定时器和超低功耗有源模式，所有这些都可以大大延长电池寿命。图5显示了微控制器模块的架构。这些低功耗特性可实现更长的待机时间或相同的状态活动，并且切换和计算时间最短。照明应用通常进行有效状态确定并按2％的占空比顺序切换;剩下的时间用于观察照明环境的变化。

图5：Gecko EFM32低功耗微控制器模块（由Energy Micro提供）。

微控制器本身可以放置在几个不同的位置。大多数情况下，它们集成在照明灯具本身中，而照明灯具本身可以是独立的，也可以通过电线或RF链接连接到其他照明模块。

这些微控制器的设计有几个关键，是商业照明领域独有的。一个是照明状态的现场可编程性。由于商业空间在照明解决方案的使用寿命期间通常会有几个不同的租户，因此将照明更新到新租户的能力是必不可少的。根据新乘客的偏好，典型的变化包括办公室空间照明从暖色调（偏红色调）转变为冷色调（蓝色色调）。更重要的是，房间中的家具的位置及其颜色/材料影响了呈现给房间的光的反射和吸收，因此必须更新照明图案和强度。此外，传感器输入也会不同。一些租户可能想要使用运动传感器来确定是否正在使用房间，而其他人可能想要进行多状态主动控制（基于在空间中完成的任务而不是仅仅占用空间来实现明亮或暗淡）。这些更改会影响控制电子设备的I/O，GUI控制和状态机负载。

对于某些系统，PWM流量确定最好在微控制器而不是光驱动器中完成。对于低压应用，变压器耦合设计以及高效率和多串照明，定时和混色的复杂性最好由微控制器直接处理。大多数微控制器都具有数字和模拟I/O，并且能够直接控制将运行灯的照明驱动器电路。直接驱动的优势在于增强的灵活性可以通过扩展状态选项和微控制器中的更大存储器实现，而不是驱动器电子设备中常见的存储器。两种或多种颜色混合的复杂性和来自多个传感器的输入（温度，运动，亮度，活动，环境光等）都是异步的中断式传感器，没有设置状态变化的时间表。基于ARM的微控制器可以支持异步和同步中断以及端口数据。

为了帮助开发和设计这些设计原型，最好构建一个功能和形状因子适用的原型。有许多开发系统可供选择，包括参考和接口板，软件，宏，IP和电缆。这些主板大多数来自第三方ARM Cortex芯片供应商。典型套件包括Atmel的AT91SAM评估套件和德州仪器的LM3S2965评估套件。这些是完整的开发工具包，支持代码的所有选项，并包含灵活的编程环境。还有其他小型开发系统可以构建到正确的外形和电源窗口中进行测试。

FPGA库中的这些微控制器内核的可用性使得能够快速开发复杂的工业和商业照明系统，添加多串驱动器和先进的颜色混合/传感器方案作为控制功能的一部分。