基于FPGA的全彩景观灯控制系统的实现

论文摘要

景观照明产业近年来由于第四代光源—LED光源的加入得到飞速发展,市场需求不断增长,而国内LED景观照明控制系统技术差异大,标准不统一,尚有很大的研究空间。市场上的LED景观灯控制系统多采用单片机或ARM来实现,单片机和ARM的有限的控制速度和硬件接口无法满足大型的景观灯系统全彩、动态、多变、远程的控制效果。在这样广阔的市场空间和巨大的研究空间的背景下,针对传统控制方法在技术上的不足和控制效果上的缺陷,本文设计了一套基于FPGA的全彩景观灯控制系统的实现方案。论文首先对LED景观灯控制系统的功能特点进行了分析,并结合市场上不同控制方案与技术的优缺点,确定系统总体设计方案为管理主机、网络节点控制器、驱动显示单元三层结构网络控制,选择基于DMX512灯光传输协议、NiosⅡ嵌入式处理器和uC/OSⅡ操作系统的控制技术来实现网络节点控制器,并从全彩LED的发光原理角度出发,选择PWM技术控制LED。确定了控制方案和开发工具后,论文对网络节点控制器的设计与实现进行了详细的研究,分别从硬件和软件两个方面详细阐述了节点控制器的实现过程。在硬件方面设计了DMX512信号IP核和全彩LED控制IP核,之后完成基于SOPC技术的硬件设计,构建NiosⅡ系统。在NiosⅡ集成开发环境中设计了基于uC/OSⅡ操作系统和LwTCP/IP协议的软件应用程序,最后下载调试。针对LED的驱动显示单元,为符合DMX512协议的全彩LED灯具设计了信号驱动电路,并用全彩LED点光源构建全彩LED灯具,为其设计相应的解码器、驱动电源和控制电路。针对管理主机用C#语言编写了上位机管理软件,实现了友好的人机界面和网络通信控制功能。论文最后介绍了系统级调试结果并对整体研究进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 LED半导体照明
• 1.1.2 LED景观照明的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题来源及研究内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 课题的研究内容
• 第2章 系统概述和总体设计方案分析
• 2.1 LED景观灯控制系统功能特点分析
• 2.2 控制系统总体设计方案
• 2.2.1 控制系统架构分析比较
• 2.2.2 控制系统架构的确定
• 2.3 网络节点控制器的软硬件选择
• 2.3.1 灯光控制协议的选择
• 2.3.2 嵌入式处理器的选择
• 2.3.3 嵌入式操作系统的选择
• 2.4 LED灯控制方式的选择
• 2.4.1 LED色彩控制原理
• 2.4.2 LED色彩控制技术
• 第3章 网络节点控制器的设计与实现
• 3.1 网络节点控制器设计综述
• 3.1.1 网络节点控制器功能描述
• 3.1.2 网络节点控制器开发流程
• 3.2 基于SOPC的网络节点控制器硬件设计
• 3.2.1 硬件开发工具及流程概述
• 3.2.2 节点控制器硬件总体设计
• 3.2.3 DMX512信号IP核设计
• 3.2.4 全彩LED控制IP核设计
• 3.2.5 基于SOPC的系统搭建
• 3.3 基于NiosⅡ的网络节点控制器软件设计
• 3.3.1 软件开发工具及流程概述
• 3.3.2 节点控制器软件设计
• 3.4 节点控制器软硬件下载与调试
• 第4章 景观灯驱动与显示单元的设计与实现
• 4.1 景观灯显示与驱动综述
• 4.2 符合DMX512协议的灯具驱动与显示设计
• 4.2.1 符合DMX512协议灯具的驱动单元
• 4.2.2 符合DMX512协议的灯具显示单元
• 4.3 LED全彩灯具及点光源驱动与显示设计
• 4.3.1 LED全彩灯具解码器的设计
• 4.3.2 LED全彩灯具与点光源的驱动单元
• 4.3.3 LED全彩灯具及点光源显示电路设计
• 第5章 管理主机软件的设计与实现
• 5.1 管理主机软件设计概述
• 5.2 上位机界面设计
• 5.3 上位机控制功能与网络功能设计
• 第6章 系统集成调试与分析
• 6.1 DMX512信号与PWM全彩控制信号
• 6.2 显示单元调试
• 结论
• 参考文献
• 致谢