一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电源控制技术领域，具体涉及一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统及控制方法。

背景技术

随着LED照明技术的不断发展，人们对于照明效果和节能要求也越来越高。调光技术作为LED照明的重要组成部分，可满足不同场景下的照明需求。

目前市面上常见的LED灯具调光系统组成通常包括以下几个组件(如图1所示)：上位机(Host Computer)①、USB-TTL转换器(USB-TTL Converter)②、调光控制器(DimmingController)③、LED灯具(LED Luminaire)④。上位机通过USB接口将控制指令传输给USB-TTL转换器，转换器将信号转换为TTL电平信号后发送给调光控制器。调光控制器接收到信号后，根据指令和参数设置调节电流或电压输出，通过UART(通用异步收发传输)或RS485(一种串行通信标准)来控制LED灯具的亮度，实现远程控制和调光。LED灯具接收到调光控制器的输出信号后，按照指定亮度工作。但是，使用UART或RS485控制LED灯具的亮度需要确保控制器和灯具之间的通信协议和通信参数的一致性。此外，控制器和LED灯具之间可能还需要使用相应的转换器或驱动器来进行信号的转换和适配，以确保正常的通信和控制。

目前市面上常用的调光方式有0-10V调光和PWM调光，它们都可以实现调光功能，但它们使用的接口是不同的。0-10V调光需要一个可接收0-10V控制信号的接口，而PWM调光需要一个可以接收和解析PWM信号的接口，例如PWM输入引脚或专门的PWM调光接口。这使得在接线方面较为复杂，需要区分调光线(0-10V接口、PWM接口)以及通讯线(UART或RS485)，双向占用了控制器和电源模组的大量接口连接器和线束，现场装配繁琐；且系统稳定性差，通讯线路转换多因素下，整个系统软硬件出故障几率增高。

在目前市面上有的单线通讯+调光设计方案中，存在着当外部Dim+/Dim-遭受浪涌信号或ESD(静电放电)时，会容易导致调光器或电源模块受到干扰、损坏或发生异常短路。这是因为浪涌信号和静电放电都可以引起电压和电流的突然变化，超过了设备的承受范围，从而对电流和元件造成损害。而且传统方式是通过ADC(模拟-数字转换器)识别PWM和模拟0-10V信号，当输入电压与ADC的工作电压范围接近时，ADC是无法准确区分100％PWM(脉冲宽度调制)信号和0-10V直流信号。这是因为ADC通常基于模拟电压输入进行数字转换，而输入电压接近工作电压范围的边界时，ADC的转换精度和饱和度可能会收到影响。如图2所示，当输入电压为3.3V(典型值)时，无法区分100％PWM(脉冲宽度调制)信号和0-10V直流信号，同时也会出现PWM调光区域受限，PWM调光无法到达100％，至多到99％，无法实现全域调光。

发明内容

针对上述问题中至少之一，本发明提供一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统，包括上位机、调光控制器、LED灯具，调光控制器分别与上位机和LED灯具双向通讯，上位机与调光控制器直接采用UART通讯；所述调光控制器的输入端由二极管D2和电阻RL组成回路阻断结构，连接在变压器次级侧，二极管D2并联有隔直通交电容C1；所述调光控制器的输出端由二极管D1与电阻RN串联组成0-10V接收检测结构，连接在变压器初级侧，电阻RN连接幅值可调PWM发生器，二极管D1连接0-10V1：4/1：1比例运放，幅值可调PWM发生器和0-10V 1：4/1：1比例运放均连接MCU。

作为上述方案的优选，所述上位机采用基于Arm9的PAD。

作为上述方案的优选，所述LED灯具包括通过DC连接线相互连接的电源模组和LED灯板。

作为上述方案的优选，所述调光控制器可集成在LED灯具内部。

作为上述方案的优选，所述幅值可调PWM发生器连接MCU的DAC和PWM端口，幅值可调PWM发生器的output端通过DAC放大、PWM调制后输出幅值递增方波。

作为上述方案的优选，所述0-10V 1：4/1：1比例运放连接MCU的ADC和GPIO端口，0-10V 1：4/1：1比例运放的output端通过控制线输出1：4或者1：1电压信号。

作为上述方案的优选，所述变压器采用1:1变压器，变压器的初级侧通过下拉电阻RS接地。

一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、上位机Dim+/Dim-发送UART功能码；

S2、调光控制器的MCU依据预先定义功能码信息判断功能码后面跟随的Dim+/Dim-信号是PWM、0-10V或者双向通讯数据，并调整Dim+/Dim-信息接收形式；

S3、调光控制器接收到信号后，将解析的调光命令传给电源模组，根据指令和参数控制LED灯具的亮度，同时把电源模组的相关参数传递给上位机。

作为上述方案的优选，当调光控制器根据功能码判断出输入端输入0-10V信号时，MCU控制幅值可调PWM发生器按0.1V循环递增产生0.7～10.7V，1KHz方波，0-10V 1:4/1:1比例运放电路调整为1:4；当幅值可调PWM发生器产生方波幅值小于调光控制器输入电压值时，二极管D2截止，变压器感应回路开路；当方波幅值升到刚好大于输入电压值时，D2导通，变压器感应回路导通。

作为上述方案的优选，当调光控制器判断出输入端输入PWM信号或输入端请求通讯数据时，MCU控制幅值可调PWM发生器关闭，0-10V 1:4/1:1比例运放电路调整为1:1；输入PWM或输入数字信号通过隔直通交电容C1、二极管D1进入MCU。

由于具有上述结构，本发明的有益效果在于：

1、整合了电源调光控制系统的0-10V调光接口、PWM调光接口以及通讯线，三组线合并为一组线，可同时实现0-10V、PWM调光以及双向通讯，减少线路数量，节省控制器和电源LED设计空间和制造成本；

2、上位机和控制器使用统一的通讯方式，上位机可直接通讯访问控制器和电源LED模块(单线通讯)，响应速度快，数据传输稳定，解决了系统通讯稳定性差的问题；

3、对调光信号采用隔离阻断设计，使外部Dim+/Dim-与电源保持隔离状态，避免了调光信号因浪涌、ESD(静电放电)故障等因素损坏控制器，在实现单线通讯+0-10V/PWM调光基础上，规避了外部干扰因素；

4、在实现单线通讯+0-10V/PWM调光基础上，通过一个数字信号功能码，区分单线的功能是PWM、0-10V调光还是数字通讯，同时实现100％PWM全域调光，解决了ADC无法准确区分100％PWM(脉冲宽度调制)信号和0-10V直流信号，以及PWM调光无法实现100％全域调光的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中LED灯具调光系统结构框图；

图2为现有技术中ADC同时检测PWM和模拟信号的弊端展示图；

图3为本发明调光控制系统的结构框图；

图4为本发明调光控制器的电路结构示意图；

图5为本发明幅值可调PWM发生器的电路结构示意图；

图6为本发明0-10V 1:4/1:1比例运放的电路结构示意图；

图7为本发明调光控制方法的功能指令图；

图8为本发明幅值可调PWM发生器输出波形图；

图9为本发明调光控制器当输入端输入PWM信号时ADC检测值变化图；

图10为本发明调光控制器当输入端请求通讯数据时ADC检测值变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本实施例一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统，包括以下几个组件：

上位机1：上位机通常是指PC或其他设备，在本实施例中，上位机采用基于Arm9的PAD，用于进行灯具控制和管理。上位机可以通过USB接口或其他通信接口与调光控制器进行UART通信，下发调光命令(0-10V/PWM/双向通讯)给调光控制器，并接收电源模组传递的相关参数(例如电量计、调光值以及相关保护参数等)；

LED灯具：LED灯具是被调光控制器控制和调光的对象，在本实施例中，LED灯具包括通过DC连接线相互连接的电源模组3和LED灯板。电源模组接收调光信号(通讯信号-UART/RS485或调光信号-0-10V/PWM等方式)以后，可根据输入要求，输出恒压或者恒流的供电到LED灯板，实现调光，若是双向通讯命令调光，同时把电源模组的相关参数传递给调光控制器。其中，UART是一种常见的串行通信接口，可以用于将控制器发送的数字信号传输到LED灯具。通过UART接口，控制器可以向控制命令，并通过接收来自灯具的反馈信号进行通信和同步；RS485是一种多点通信协议，可以用于多个设备之间的远程通信。控制器可以通过RS485接口与多个LED灯具进行通信，并发送调光指令来控制这些灯具的亮度。RS485接口使用差分信号线路，能够在远距离传输，具有较好的抗干扰能力；0-10V调光是一种模拟调光方式，通过改变0-10V电压信号的大小来调节灯光的亮度。通常，0V表示关闭状态，10V表示最大亮度。可以使用专门的0-10V调光驱动器或调光接口来接收控制信号并将其转换为相应的输出电压，从而实现对灯光亮度的调节；PWM调光则是一种数字调光方式，通过改变PWM信号的占空比(高电平的持续时间占一个周期的比例)来调节灯光的亮度。通常，高占空比表示更高的亮度，低占空比表示更低的亮度。PWM调光通常使用专门的PWM调光驱动器或控制器来生成PWM信号并驱动LED灯具的亮度。

调光控制器2：调光控制器是一个专门用于调光控制器的设备，分别与上位机和LED灯具双向通讯，调光控制器通过Dim+&Dim-，解析上位机的调光命令(0-10V/PWM/双向通讯)，并将解析的调光命令传给电源模组，若是双向通讯命令，同时实现双向通讯，把电源模组的相关参数传递给上位机。在本实施例中，如图4所示，调光控制器的输入端由二极管D2和电阻RL组成回路阻断结构，连接在变压器次级侧，当变压器次级电压低于D2阻断电压，二极管D2不导通，二极管D2并联有隔直通交电容C1，当输入端为PWM或者Swire(UART)时，从C1流过到变压器；调光控制器的输出端由二极管D1与电阻RN串联组成0-10V接收检测结构，连接在变压器初级侧，电阻RN连接幅值可调PWM发生器，幅值可调PWM发生器连接MCU的DAC和PWM端口，幅值可调PWM发生器的output端通过DAC放大、PWM调制后输出幅值递增方波(如图5所示)，二极管D1连接0-10V 1：4/1：1比例运放，0-10V 1：4/1：1比例运放连接MCU的ADC和GPIO端口，0-10V 1：4/1：1比例运放的output端通过控制线输出1：4或者1：1电压信号(如图6所示)；幅值可调PWM发生器和0-10V 1：4/1：1比例运放均连接MCU；变压器采用1:1变压器，变压器的初级侧通过下拉电阻RS接地。幅值可调PWM发生器发出方波经过RN限流后从流过D1，到0-10V 1：4/1：1比例运放。

如果将调光控制器集成到LED电源内部，则可以以一个低成本的方案完成单线通讯的LED电源调光控制系统。

本实施例还提供一种基于单线通讯的LED电源调光控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、上位机Dim+/Dim-发送UART功能码，功能码预先定义为下表：

S2、调光控制器的MCU依据预先定义功能码信息判断功能码后面跟随的Dim+/Dim-信号是PWM、0-10V或者双向通讯数据，并调整Dim+/Dim-信息接收形式，指令功能如图7所示。

A：当调光控制器根据功能码判断出输入端输入0-10V信号(指令码0x04)时：

1.幅值可调PWM发生器按0.1V循环递增产生0.7～10.7V，1KHz方波；

2.0-10V 1:4/1:1比例运放电路调整为1:4(MCU控制)；

如图8所示，当此方波幅值小于输入Vin电压值时，二极管D2截止，变压器感应回路开路，ADC幅值电压＝Vin；当此方波幅值升到刚好大于输入Vin电压值时，二极管D2导通，变压器感应回路导通，ADC检测幅值电压＝Vin-ΔV，其中ΔV＝Vin/ZL(ZL为变压器导通感抗)，ADC值相对减小，此时方波幅值即为输入端0-10V电压值。

B：当输入端输入PWM信号(指令码0x01)时：

1.幅值可调PWM发生器关闭；

2.0-10V 1:4/1:1比例运放电路调整为1:1(MCU控制)；

输入PWM通过隔直通交电容C1、二极管D1进入MCU的ADC检测，详见图9。

C：当输入端请求通讯数据(指令码0x10)时：

1.幅值可调PWM发生器关闭；

2.0-10V 1:4/1:1比例运放电路调整为1:1(MCU控制)；

输入数字信号通过隔直通交电容C1、二极管D1进入MCU的ADC检测，详见图10。

S3、调光控制器接收到信号后，将解析的调光命令传给电源模组，根据指令和参数控制LED灯具的亮度，同时把电源模组的相关参数传递给上位机。

本实施例整合了电源调光控制系统的组线由原来3组减少且合并为1组，节省控制器和电源LED设计空间和制造成本；上位机可直接通讯访问控制器和电源LED模块(单线通讯)，响应速度快，数据传输稳定；在实现单线通讯+0-10V/PWM调光基础上，外部Dim+/Dim-与电源保持隔离状态，规避了外部干扰因素；在实现单线通讯+0-10V/PWM调光基础上，通过一个数字信号功能码，可区分单线的功能是PWM、0-10V调光还是数字通讯，同时可以实现100％PWM全域调光。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。