本發(fā)明涉及一種脈沖寬度調制的控制方法以及應用該方法的LED系統(tǒng)。

背景技術：

PWM就是脈沖寬度調制，也就是占空比可變的脈沖波形，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

舉例來說，在LED控制中，需要調節(jié)LED發(fā)光的亮度。如果通過電流來調節(jié)亮度，則太過復雜。為了節(jié)約成本，對于屏幕亮度的調節(jié)，行業(yè)里會采用PWM技術。PWM是通過調節(jié)占空比來達到調制目的的。波形的頻率本身并不參與占空比的調節(jié)，但是頻率的高低會產(chǎn)生一些重要的影響，比如：

1)電機控制中，頻率太低會導致運動不穩(wěn)定，如果頻率剛好在人耳聽覺范圍，有時還會聽到呼嘯聲。

2)對于需要進行直流濾波的場合，頻率越高，濾波的效果就越好。

3)在LED控制中，若頻率太低，閃爍會比較明顯，容易引起人眼疲勞。通常閃爍頻率大于100Hz，人眼就不會感到閃爍。

但是，頻率高也有一定代價。以單片機產(chǎn)生的PWM來舉例，在同樣的占空比情況下，頻率越高需要系統(tǒng)頻率越高，功耗也越大。對于一些低端的單片機來說，由于系統(tǒng)頻率和位數(shù)是確定的，可能根本無法產(chǎn)生高頻率的PWM波形。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的主要技術問題是提供一種PWM的控制方法，使用一個計數(shù)器實現(xiàn)離散型的PWM波形輸出。

本發(fā)明所要解決的另一主要技術問題是提供一種PWM的控制方法，使用一個計數(shù)器實現(xiàn)多通道的離散型的PWM波形輸出。

本發(fā)明所要解決的另一主要技術問題是提供LED系統(tǒng)，應用上述的PWM控制系統(tǒng)。

為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供了一種離散型PWM的控制方法：將計數(shù)器計數(shù)值M的每一個計數(shù)位的高低位置進行調換得到新的計數(shù)值M’；

輸出占空比為N/T的脈沖波形時，其中T為計數(shù)器的計數(shù)周期；當M’<N時，輸出脈沖波形為高電平；當M’≥N時，輸出波形為低電平。

在一較佳實施例中：所述將計數(shù)器計數(shù)值M的每一個計數(shù)位的高低位置進行調換具體是指：將計數(shù)值M的比特最低位與比特最高位進行調換，比特次高位與比特次低位進行調換，以此類推。

在一較佳實施例中：若使用者要求的周期T’<T，則將變換后的計數(shù)值M’中≥T’部分所對應的計數(shù)值跳過。

本發(fā)明還提供了一種多通道離散型PWM的控制方法：將計數(shù)器計數(shù)值M的每一個計數(shù)位的高低位置進行調換得到新的計數(shù)值M’；

將計數(shù)器的計數(shù)周期分為至少兩個區(qū)間，每個區(qū)間對應一個通道，每個區(qū)間所占計數(shù)周期T的比例即為對應通道輸出PWM波形的占空比；當計數(shù)值M’位于第一區(qū)間時，第一通道輸出高電平，當計數(shù)值M’位于第一區(qū)間以外時，第一通道輸出低電平；當計數(shù)值M’位于第二區(qū)間時，第二通道輸出高電平，當計數(shù)值M’位于第二區(qū)間以外時，第二通道輸出低電平；以此類推。

在一較佳實施例中：當所述各通道輸出脈沖波形的占空比之和>100％時，劃分的區(qū)間之間有重合；當所述各通道輸出脈沖波形的占空比之和＝100％時，劃分的區(qū)間之間沒有重合，且各通道輸出脈沖波形互補，即任一時刻，有且僅有一個通道輸出高電平；當所述各通道輸出脈沖波形的占空比之和<100％時，劃分的區(qū)間之間沒有重合，且有區(qū)間未被使用，該情況下，任一時刻，最多有一個通道輸出高電平。

在一較佳實施例中：當將一個空的區(qū)間對應一個通道時，該通道的輸出保持為低電平；對應的輸出脈沖波形的占空比為0％。

本發(fā)明還提供了一種采用權利要求4所述的多通道PWM的控制方法的LED系統(tǒng)，所述區(qū)間為3個，LED光源按照發(fā)光顏色分為紅綠藍三組，每一個通道對應一組LED光源；

當調整三個通道輸出的脈沖波形其占空比之和，則可以調整LED系統(tǒng)的出光亮度；

在保持三個通道輸出的脈沖波形其占空比之和不變的情況下，改變每一個通道輸出的脈沖波形占空比，則可以改變LED系統(tǒng)出光中紅綠藍三色所占比例，從而改變LED系統(tǒng)的出光色溫。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的技術方案具備以下有益效果：

1.本發(fā)明提供的離散型PWM控制方法，對于比較低端的單片機，用傳統(tǒng)方式PWM可能無法同時滿足調節(jié)精度和頻率的要求；使用該離散型PWM控制方法，則可以大幅提升對這類要求的滿足范圍。

2.本發(fā)明提供的離散型PWM控制方法，對于高端的單片機或者MCU等，在給定的調節(jié)精度和頻率要求下，該離散型PWM控制方法可以用更低的系統(tǒng)時鐘。若除PWM控制之外的其它功能也允許使用更低系統(tǒng)頻率，則可以降低系統(tǒng)整體頻率，從而降低動態(tài)功耗，降低能耗。

3.本發(fā)明提供的多通道PWM控制方法，僅需一個計數(shù)器就可以實現(xiàn)。并且實現(xiàn)成本和方法都比較簡單。

4.本發(fā)明提供的一種利用多通道PWM控制方法的LED系統(tǒng)，三個通道的光交替頻繁，每個通道的光分布又是相對均勻的，所以混色效果好。并且當占空比之和≤100％時，三個通道不會同時工作，所以不會造成驅動電源過載影響電源穩(wěn)定性，電源驅動電路可以簡化。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)PWM控制方法示意圖；

圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例中離散型PWM的控制示意圖；

圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例中計數(shù)值省略關系示意圖；

圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例中多通道PWM控制方法的示意圖；

圖5為本發(fā)明優(yōu)選實施例中LED系統(tǒng)輸出白光時，多通道PWM控制方法的示意圖；

圖6為本發(fā)明優(yōu)選實施例中LED系統(tǒng)輸出黃光時，多通道PWM控制方法的示意圖。

具體實施方式

下文結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

一種離散型PWM的控制方法：將計數(shù)器計數(shù)值M的每一個計數(shù)位的高低位置進行調換得到新的計數(shù)值M’；

輸出占空比為N/T的脈沖波形時，其中T為計數(shù)器的計數(shù)周期；當M’<N時，輸出脈沖波形為高電平；當M’≥N時，輸出脈沖波形為低電平。

所述將計數(shù)器計數(shù)值M的每一個計數(shù)位的高低位置進行調換具體是指：將計數(shù)值M的比特最低位與比特最高位進行調換，比特次高位與比特次低位進行調換，以此類推。需要指出的是，調換方式不局限于上述的這一種，這只是最優(yōu)化的方式而已，不應以此限定本發(fā)明的保護范圍。例如將比特最高位與比特次低位進行調換一樣可以得到離散化的PWM輸出波形，只是均勻度不如上述方法而已。

以一個5位的計數(shù)器(相應的計數(shù)范圍為0～31)來舉例：

計數(shù)器從0計數(shù)到31作為一個計數(shù)周期T，T＝32，將計數(shù)值M的比特高低位置進行對調得到M’。要實現(xiàn)占空比為N/32，則M’<N時，輸出波形為高電平；M’≥N時，輸出波形為低電平。

圖1為傳統(tǒng)的PWM控制方式在在N＝8和N＝13時的輸出波形；

圖2為本實施例的PWM控制方式在在N＝8和N＝13時的輸出波形。

從圖上可以很明顯看出，采用本實施例中的PWM控制方式高電平的總寬度和傳統(tǒng)方法是一致的。因此所產(chǎn)生的平均效果也是大致相同的。本實施例的做法相當于把高電平區(qū)間以相當均勻的方式離散地分布在一個計數(shù)周期中，所以屬于一種離散化的PWM技術，具有均勻分布的性質。從上圖不難看出，當N為2的冪次方時，N個脈沖在一個計數(shù)周期內(nèi)是均勻分布的。

上述兩種方法明顯的區(qū)別是：本實施例的控制方法輸出波形的脈沖頻率明顯高于傳統(tǒng)的PWM控制方法。不難證明，當N<16時，本實施例的控制方法產(chǎn)生的脈沖頻率是傳統(tǒng)的PWM控制方法產(chǎn)生的脈沖頻率的N倍。

以LED燈來舉例，傳統(tǒng)的PWM做法中，占空比越小(N越小)，閃爍越明顯。當占空比低于50％時，用新型PWM控制方法除了N＝1時輸出的波形和傳統(tǒng)方法一致外，其余的頻率都是傳統(tǒng)方法的N倍關系，因此能明顯減輕閃爍問題。同樣，在用本實施例所述的PWM控制方法在控制電機轉速時，也會更加平穩(wěn)。

在同樣的時鐘頻率以及占空比要求下，本實施例所述的PWM控制方法能有效提升脈沖頻率。

在同樣的脈沖頻率要求下，本實施例所述的PWM技術對時鐘頻率的要求可以比傳統(tǒng)PWM技術低一半以上。

本實施例所述的PWM控制方法既可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件方式實現(xiàn)(比如：軟件計數(shù)+GPIO的方法實現(xiàn))，實現(xiàn)方式與傳統(tǒng)PWM相比在難度和成本上沒有明顯差異。

根據(jù)以上幾點，使用該離散型PWM控制方法的意義如下：

對于比較低端的單片機，用傳統(tǒng)方式PWM可能無法同時滿足調節(jié)精度和頻率的要求。使用該新型PWM技術，可以大幅提升對這類要求的滿足范圍。

對于高端的單片機或者MCU等，在給定的調節(jié)精度和頻率要求下，該新型的PWM技術可以用更低的系統(tǒng)時鐘。若除PWM控制之外的其它功能也允許使用更低系統(tǒng)頻率，則可以降低系統(tǒng)整體頻率，從而降低動態(tài)功耗，降低能耗。

該新型PWM技術的局限性：

要求使用者使用的計數(shù)周期達到計數(shù)器的最大計數(shù)周期。若沒有達到最大值，則計數(shù)值M中缺少了最大的若干個數(shù)值。相對應的變換后的M’則缺少了中間的若干個數(shù)值。若缺少的數(shù)值小于N，會導致高電平持續(xù)時間不夠。

針對這種現(xiàn)象的解決方法：

在計數(shù)周期T中跳過(省略)若干的計數(shù)值以滿足使用者要求的計數(shù)周期T’的長度。以5位計數(shù)器來舉例，計數(shù)器的計數(shù)周期T為32。若使用者希望的計數(shù)周期T’是25，則計數(shù)器需要跳過7個計數(shù)值才能與使用者要求的計數(shù)周期長度一致。跳過的具體數(shù)值為對應變換后的計數(shù)值M’中大于或等于25的計數(shù)值，如圖3所示。

本實施例還提供了一種多通道PWM控制方法，可以僅用一個計數(shù)器即可實現(xiàn)多個PWM通道輸出，并且這多個通道的PWM的高電平都是相對均勻的離散分布的。還是以5位計數(shù)器來舉例，假設要實現(xiàn)3個PWM通道輸出，第一通道A的占空比是25％，第二通道B的占空比是25％，第三通道C的占空比是50％，可以這樣實現(xiàn):

M’＝[0,7]時，通道A輸出高電平；

M’＝[8,15]時，通道B輸出高電平；

M’＝[16,31]時，通道C輸出高電平；如圖4所示。

從上述例子可以我們可以看到，該新型多通道PWM技術具有以下特點：

可以將多個PWM通道用一個計數(shù)器來實現(xiàn)。

當多個通道輸出的脈沖波形占空比之和>100％時，多個通道所劃分的區(qū)間之間有重合。

當多個PWM通道輸出的脈沖波占空比之和等于100％時，多個通道中脈沖波的高低電平是互補的，即任一時刻有且僅有一個通道的PWM輸出是高電平。

當多個PWM通道的占空比之和小于100％時，多個通道所劃分的區(qū)間之間沒有重合，且有部分區(qū)間未被使用，該情況下，任一時刻，最多有一個通道輸出高電平。

利用上述特征，可以將該多通道PWM控制方法應用在LED系統(tǒng)中：

根據(jù)色彩合成的三基色原理，采用紅、綠、藍三組LED燈，利用該多通道PWM控制方法，可以實現(xiàn)LED燈的亮度調節(jié)和顏色調節(jié)。將LED光源按照出光顏色分為紅、綠、藍3組，采用3個通道，每個通道對應一組LED光源。通過調節(jié)3個通道輸出脈沖波的占空比之和，可以調節(jié)LED系統(tǒng)的出光亮度。

在3個通道輸出脈沖波的占空比之和保持不變時，可以通過調節(jié)每個通道PWM的占空比，改變LED系統(tǒng)出光中紅綠藍三種顏色的比值，實現(xiàn)調色功能。保持3個通道輸出脈沖波的占空比之和100％，當?shù)谝煌ǖ繟、第二通道B、第三通道C輸出脈沖波的占空比都為1/3時，LED系統(tǒng)出光色溫為白光。如圖5所示。

當?shù)谝煌ǖ繟、第二通道B輸出的脈沖波的占空比為均為50％、第三通道C輸出的脈沖波占空比為0％時，LED系統(tǒng)出光色溫為黃光。如圖6所示。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。上述實施例并不應視為限制本發(fā)明的范圍。本領域的技術人員在閱讀并理解了前述詳細說明的同時，可以進行修改和變化。具體的保護范圍應以權利要求書為準。