基于CPLD的LED亮度调节系统设计

摘 要

文章介绍了一种基于CPLD的LED亮度调节系统。CPLD接收上位机指令后通过程序产生不同占空比的PWM脉冲控制LED的发光强度，可以实现15个等级的粗略调节及每个粗略等级内部67个微调亮度等级的调节，且带有闪烁控制功能。系统经仿真及实物验证达到了设计预期。

【关键词】PWM脉冲 EPM1270 LED调光

1 引言

LED作为一种新型的发光源具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等诸多优点，在消费电子，室内外照明及灯光信标指示等领域得到越来越广泛的应用。为满足使用需求，在很多LED的应用场合，都需要对LED的亮度进行调节。为此本文设计了一种基于CPLD的LED亮度调节系统用于对某型号灯光指示设备中的LED灯阵进行亮度调节。

2 LED的调光方式

LED具有两种调光方式，模拟调光和PWM调光。模拟调光就是通过改变流过LED的电流大小来改变LED的发光亮度。PWM即 （脉冲宽度调制），是指通过给LED加载一个占空比可变的脉冲信号来控制流过LED电流的通断，从而改变等效的平均电流来改变LED的亮度。模拟调光方式的缺点是由于在调光过程中需要改变流过LED的电流，从而会导致LED发光的色彩漂移和发光效率的降低。而PWM调光方式只是改变导通电流的占空比，即周期内的导通时间，在导通期间流过LED的电流大小是保持不变的，从而避免了模拟调光带来的缺点。

3 CPLD简介

PWM调光系统的核心就是PWM脉冲的产生。本系统采用CPLD来实现PWM脉冲的产生。CPLD全称复杂可编程逻辑器件，具有高密度、高速度、高可靠性和灵活方便的特点。本系统采用Altera公司的MAXII系列CPLD，具体型号为EPM1270T144I5。与上一代CPLD相比，其具有单个I/O管脚成本和功耗更低且性能更高的优势。EPM1270T144I5芯片包含1270个LE（逻辑宏单元），相当于40000个逻辑门数，980个等效宏单元数，8Kbit用户可用FLASH空间，116个用户可用I/O管脚，扩展极为方便。

4 系统方案

整个LED亮度调节系统由上位机，CPLD调光电路，LED驱动电路组成。上位机通过串口接收用户通过人机界面发送的调光指令，将调光指令转发至CPLD。CPLD读取调光指令后产生相应占空比的PWM脉冲输出至LED驱动电路，驱动LED灯阵以不同亮度发光。系统框图如图1所示。

由LED的正向伏安特性曲线可知，当加载在LED两端的电压超过其导通电压后，微小的电压波动都会引起导通电流的剧烈变化，从而引起LED发光的色彩漂移，影响LED的使用。为保证LED的工作电流恒定，通常有两种方法。一种方法是线性控制法，即在电路中对LED串联一个工作于线性区的功率管，通过电流串联负反馈来调节功率管的阻值，使流过LED的电流始终维持在一个恒定的大小。但是由于功率管工作在线性区，会消耗较多的功率，造成系统功率的浪费和发热量的增加。另一种方法就是恒流源驱动法。恒流源驱动电路内部的开关电源通过调节开关功率管的通断占空比在保持导通电流恒定的情况下调节输出功率的大小，是所有驱动电路中效率最高的，特别适合驱动大功率的LED。本系统采用PT4155恒流源芯片驱动LED。PT4155芯片电路简单，输出电压可从8至30V，最大输出电流1.2A，复用管脚DIM可进行LED开关、模拟调光、PWM调光。本系统采用PWM调光模式，PWM脉冲从DIM管脚输入，驱动电路如图2所示。其中D1、D2、D3为串联的负载LED，L为续流电感，D4 为续流二极管，CIN为滤波电容，RS为电流设定电阻，用来设定恒流输出的电流大小。

5 PWM脉冲生成的CPLD实现

用PWM脉冲驱动LED发光时，利用了人眼的“视觉暂留”现象。即LED以较高的频率打开关闭，但由于频率较高，人眼感觉不到LED的闪烁，给人一种LED一直持续在发光的感觉。通常，当PWM脉冲频率高于200Hz时，人眼就感受不到LED的闪烁了。

确定PWM脉冲频率的另一个考虑因素是LED的调光等级。考虑到操作的方便性和亮度调节的连续性，本系统采用粗细两级调节的方式对LED进行亮度调节。粗略调节共分为15级，在调节指令中用一个4bit二进制数表示。指令数值为0时，表示LED关闭，1～15分别表示粗调亮度等级1～15。每一个粗调等级又分为67个微调等级，即在粗调等级上可以分别变亮或变暗33个等级（增加或减少33个微调等级）。每个微调等级对应的LED导通时间为1微秒，则一个PWM脉冲的周期为15×67=1005微秒，频率为995.02Hz。该频率满足大于200 Hz的要求，可以在使用中让人感觉不到LED的高频闪烁。因此，本系统选用10M晶振为CPLD提供时钟信号，分频后可得到频率为1M，周期1微秒的时钟信号对PWM脉冲的占空比进行计数。

另外根据用户要求，LED灯阵还需要具有在人眼可感知范围内以不同闪烁频率发光的功能。此功能亦由CPLD来实现，具体的方式方法是将调节亮度的PWM高频脉冲与控制闪烁频率的低频脉冲相与，产生一个既能调节LED发光亮度，又能控制LED闪烁频率的复合脉冲控制信号。闪烁控制脉冲由CPLD中的闪烁脉冲生成模块产生，其频率范围为30次/ 分钟至180次/分钟，导通关闭占空比为1：2。闪烁脉冲生成模块将频率为10MHz的时钟信号分频为1KHz的时钟信号，对闪烁控制脉冲的高低电平宽度进行计数。其接受闪烁指令后根据闪烁频率计算出相应的高低电平宽度，产生相应的低频脉冲，即闪烁控制脉冲。举例来说，当闪烁频率为50次/分钟时，则闪烁控制脉冲频率为50次/分钟，周期为1200ms，则高电平宽度为400ms，低电平为800ms。闪烁控制脉冲与PWM脉冲相与，产生复合脉冲，既可以控制LED的发光亮度又可以控制LED的闪烁频率。

上位机发送给CPLD的指令均为8位二进制数。实现上位机与CPLD通信的方法是在CPLD内部建立锁存器，并将锁存器作为上位机的扩展存储空间，其地址映射为上位机的存储空间地址。当上位机需要向CPLD发送指令时，就将该指令写入到相应的地址空间。上位机向CPLD发送的指令一共有三种，分别为亮度粗调指令、亮度精调指令和闪烁指令，分别存入三个对应的锁存器。CPLD内部的功能模块如图3所示。PWM生成模块和闪烁脉冲生成模块均使用Verilog HDL，即硬件描述语言编程实现相应功能。

6 波形仿真

CPLD编程完毕后利用QUARTUS9.1自带的仿真功能进行仿真。图4与图5分别为粗调亮度等级设定为3和10的时候输出的PWM脉冲波形。由图可知，其导通与关闭占空比分别为3：12与10：5，完全符合设计要求

7 实验验证

在系统硬件、软件安装调试完毕后使用光照度计对LED灯阵发光强度进行测量，数据如表1：

从表中可以看出，随着粗调亮度等级的增加，LED灯阵的发光强度也越来越强。通过改变微调等级，LED灯阵的发光强度也随之改变（限于篇幅，数值未在表中列出）。粗调亮度等级为1，并微调至最低亮度时的最低亮度为0.091Klux，粗调亮度等级为15，并微调至最高亮度时的最高亮度为89.53Klux。调光比达到了980：1，且具有较好的调光连续性。

8 结语

本文设计了一种基于CPLD的LED调光系统，利用CPLD编程产生占空比可变的PWM脉冲实现了对LED的亮度调节。调节方式方便灵活，亮度变化连续性好，调光比达到了980：1，覆盖了LED的全功率范围，符合设计预期，满足了用户的要求。目前已成功应用于某型号的LED灯光指示设备。

参考文献

[1]鲁刚强.基于单片机PWM信号控制LED的软件实现方法[J].电子世界，2012（9）.

[2]杨.高亮度白光LED驱动控制器设计[J].浙江大学学报（工学版），2010（01）.

作者单位

1.中国电子科技集团公司第二十七研究所 河南省郑州市 450047

2.西北工业大学 陕西省西安市 710100