采用微控制器降低商业照明中的能耗

微控制器是任何控制系统的核心，对于商业照明，它们在降低功耗方面可以发挥两个关键作用。

将网络节点添加到照明系统允许从中心点控制照明系统，与企业软件集成以打开和关闭电源。然而，微控制器的集成度越来越高，尤其是脉冲宽度调制模块，使它们能够直接控制照明系统，从而提供更有效的控制并降低成本。

降低商业设施的能源供应成本是关键的拥有成本要求。随着能源成本的上升，商业办公环境的照明成本是相当大的。当房间里没有人时能够关闭照明，并根据建筑物的占用情况自动打开和关闭，这使得设施管理者可以大大降低运营成本。

这是“日光采集”的一部分，自然光与人工照明系统相结合，使环境尽可能有效地工作，并降低成本。这需要更复杂的设计，在不同的地方使用不同类型的照明系统来产生不同类型的光。例如，在远离来自窗户的自然光的较暗区域中的卤素聚光灯获得在当天晚些时候开启的功能，而不是使用不断开启的更多漫射荧光灯。

所有这些系统也应连接到中央控制器，以优化照明在白天和晚上的使用。这些控制系统需要尽可能简单易用，理想情况是内置于网络节点中的智能，以降低用户的整体复杂性。

网络节点的微控制器选择取决于所使用的无线协议。在商业环境中，能够使用现有的2.4GHz Wi-Fi网络来链接照明控制节点具有相当大的优势。节点的功耗不是一个大问题，因为电源可以与灯一起提供，并且具有可以与现有企业系统集成的一致，同质网络的优势是关键。否则，需要单独的网络基础结构，并且作为独立操作运行可能更昂贵。这可以是更简单的ZigBee系统的情况，尽管这种技术正被更多的楼宇自动化系统使用，如果已经安装，它可能是一个可行的选择。

将接口连接到灯本身是微控制器变得重要的另一个领域。该功能不是设计单独的脉冲宽度调制电路，而是越来越多地集成到微控制器中。这为优化控制算法提供了更大的灵活性，以最大效率操作照明，从而最小化灯打开时的功耗。

在商业环境中转向LED照明也正在改变照明控制系统的设计方式，现在需要不同的驱动电子设备。这也与最新一代带有LED驱动器的微控制器以及PWM和定时器集成在一起，为处理办公室中广泛的照明系统提供了灵活的平台。高端的一些微控制器也集成了LCD和触摸屏控制器，还通过触摸板和屏幕提供本地控制。

研究人员正在研究不同类型的商业照明，从LED到模拟天空的全面板，这些也需要复杂的控制电路。位于斯图加特的弗劳恩霍夫工业工程研究所的一个团队开发了一系列34，560个LED，占地34平方米，模拟了天空。

发光天花板由50厘米×50厘米的瓷砖组成，每块瓷砖有288个LED。然后将漫射膜连接在LED下方大约30厘米处，以确保不会感觉到各个光点产生照亮整个房间的均匀照明。在全功率下，“天空”亮起的强度超过3，000勒克斯，但500至1，000勒克斯足以创造舒适的照明水平。

图1：德国弗劳恩霍夫研究所研究人员开发的“天空”天花板照明系统。

开发虚拟天空的主要焦点是在阴天模拟自然光照条件。为了实现这一目标，研究人员仔细研究了自然光，以了解当云在天空中移动时光谱如何以及如何快速地变化。 LED允许团队以肉眼不直接的方式模拟照明中的这些动态变化。否则，照明可能会分散人们的注意力。

初步研究结果表明，用户发现这种动态照明非常令人愉悦。该研究涉及10名志愿者，他们在这些照明条件下进行了为期4天的日常工作，照明表面为30厘米×60厘米。在整个第一天，照明保持静止。在第二天，它轻微波动，并在第三天波动迅速。在第四天，参与者可以选择他们想要的照明类型，80％的人选择快速，动态的照明。

这些开发需要更复杂的控制器。在商业环境中运行意味着温度和封装要求比工业设计要求低，允许考虑更广泛的微控制器。

德州仪器（TI）的LM3S1P51 Stellaris处理器针对具有脉冲宽度调制（PWM）外设和32位ARM Cortex-M3处理器内核的照明控制进行了优化。 Cortex-M3处理器基于高性能处理器内核，采用3级流水线Harvard架构，是嵌入式应用的理想选择。该处理器具有高效的指令集和广泛优化的设计，提供高端处理硬件，包括一系列单周期和SIMD乘法和乘法累加功能，饱和算术和专用硬件划分。

图2：德州仪器（TI）的Stellaris LM3S1P51内核，带有照明控制PWM模块。

对于成本敏感的商业设计，Cortex-M3处理器实现紧密耦合的系统组件，可减少处理器面积，同时显着改善中断处理和系统调试功能。 Cortex-M3处理器实现了基于Thumb-2技术的Thumb指令集版本，确保了高代码密度和降低的程序存储器要求，从而提供具有8位和16位高代码密度的32位架构的性能位微控制器。

Cortex-M3处理器紧密集成了嵌套中断控制器（NVIC）和不可屏蔽中断（NMI）以及8个中断优先级。处理器内核与NVIC的紧密集成提供了中断服务程序（ISR）的快速执行，大大减少了中断延迟并允许实时控制照明系统。

寄存器的硬件堆栈以及暂停加载多次和存储多次操作的能力进一步减少了中断延迟。中断处理程序不需要任何汇编程序存根，从ISR中删除代码开销。尾链优化还可以显着降低从一个ISR切换到另一个ISR时的开销。为了优化低功耗设计，NVIC集成了睡眠模式，包括深度睡眠模式，可以使整个设备快速断电。

LM3S1P51微控制器提供集成在器件中的运动控制功能，包括用于照明控制应用的六个高级PWM输出，四个用于促进低延迟关断的故障输入和两个正交编码器输入（QEI）。

脉冲宽度调制（PWM）是一种用于对模拟信号电平进行数字编码的强大技术。高分辨率计数器用于产生方波，并且方波的占空比被调制以编码模拟信号。 LM3S1P51 PWM模块由三个PWM发生器模块和一个控制模块组成。每个PWM发生器模块包含一个定时器（16位向下或向上/向下计数器），两个比较器，一个PWM信号发生器，一个死区发生器和一个中断/ADC触发选择器。

每个PWM发生器模块产生两个PWM信号，可以是独立信号，也可以是插入死区延迟的单对互补信号，包括四个故障条件处理输入，可快速提供低延迟关机并防止损坏镇流器。还有一个16位计数器和两个PWM比较器，它们可以在匹配时同步产生输出信号，还有一个PWM信号发生器，其中输出信号是根据计数器和PWM比较器的结果构建的输出信号。

意法半导体（STMicroelectronics）旗下也有一系列采用ARM Cortex-M3内核，适用于商业照明应用。 STM32F100xx工作频率为24 MHz，集成了高速嵌入式存储器（高达128 KB的闪存和高达8 KB的SRAM），以及连接到两个APB总线的各种外设和I/O.所有器件均提供标准通信接口（最多两条I2C线，两条SPI，一条HDMI CEC，最多三条USART），一个12位ADC，两个12位DAC，多达六个通用16位定时器，以及高级控制PWM定时器。

高级控制定时器（TIM1）可视为在六个通道上复用的三相PWM。它具有互补的PWM输出，可编程插入死区时间，也可视为完整的通用定时器。这四个独立通道可用于输入捕获，输出比较，边缘或中心对齐模式下的PWM生成以及单脉冲输出模式。当配置为16位PWM发生器时，它具有0到100％的完全调制能力。

如果需要低功耗控制器，可能使用电池供电，那么Energy Micro已将其EFM32G222F128 Gecko 32位控制器用于此类应用。如果实施各种各样的控制器，例如在“天空般的”天花板中有大量的瓷砖，低功率就成了问题。

图3：具有PWM功能的Energy Micro的Gecko ARM Cortex-M3处理器。

EFM32G222F128使用运行速度高达32MHz的32位ARM Cortex-M3 CPU，内存保护单元，唤醒中断控制器和灵活的能量管理系统来关闭非外围设备在使用中以节省电力。它包括三个16位定时器/计数器和三个3通道比较/捕获/PWM通道以及三个8位脉冲计数器。

这些设备提供了控制照明系统的所有附加电路，从温度传感器到掉电控制的输入，再到其他传感器的输入范围，可用于商业照明的日光采集方案系统。

在更高端，ARM M4内核增加了数字信号处理功能，可用于额外的算法处理和一些处理器，如飞思卡尔半导体的Kinetis K30系列，以及用于控制LCD屏幕作为本地控制系统一部分的LCD接口。 MK30DN512ZVLL10提供高达100 MHz的性能，最高512 KB的程序闪存和高达128 KB的RAM以及16通道DMA控制器，最多支持64个请求源。它支持两个16位SAR ADC，每个ADC都带有一个集成的可编程增益放大器，用于连接外部传感器和12位DAC。该器件还集成了三个模拟比较器（CMP），包含一个6位DAC和可编程参考输入，以及一个可编程延迟模块和一个八通道PWM定时器，可用于控制照明系统。它还包括一个触摸传感器和LCD驱动程序，用于管理单个设备的本地控制面板。

图4：飞思卡尔K30提供PWM和LCD和触摸控制器。

但是除了32位处理器之外还有更多选择。

Atmel的AT90PWM1-16SU是一款高性能，低功耗8位微控制器，采用该公司的高级RISC架构（AVR）。它有131条指令，大多数指令在一个时钟周期内执行，闪存和外设专门针对照明控制。

两个12位高速PSC（功率级控制器）具有4位分辨率增强功能，可为荧光灯的灯镇流器提供波形生成。非重叠反向PWM输出具有灵活的死区时间和可变的PWM占空比和频率，可以生成最有效的控制信号。还有一个8位通用定时器/计数器，具有独立的预分频器和捕捉模式，以及一个16位版本，以简化控制器的设计。

控制器还可用于通过电容式触摸界面将灯的直接控制与人机界面相结合，从而减少材料清单和控制节点的成本。然而，这在由用户而不是广域网直接控制的独立单元中更频繁地使用，因此对于日光采集系统不太有用。

除了处理通信的微控制器外，还有许多机会可以为商业照明的日光采集系统的控制和实施提供额外的价值。通过集成脉冲宽度调制模块，用于连接传感器的模数转换器以及显示器和网络节点的高速接口，设计人员可以通过最少的材料清单提供经济高效的实施方案。为照明系统提供这种控制使商业建筑运营商能够显着降低设施的功耗和运行成本。