 Open Journal of Circuits and Systems 电路与系统, 2013, 2, 7-10 http://dx.doi.org/10.12677/ojcs.2013.22002 Published Online June 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojcs.html) Study of Brightness Control Based on Chaotically Modulated PWM Signal Shijian Gao, L anjie Shi , H ao ji e Yuan, Xi Huan g, Tiege Z hou College of Information Technical Science, Nankai University, Tianjin Email: gsj1010400@sina.com Received: Mar. 16th, 2013; revised: Apr. 8th, 2013; accepted: Apr. 23rd, 2013 Copyright © 2013 Shijian Gao et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The chaotic signal is aperiodic and similar to noise. Chaotic signals can be obtained through DA converter based on Logistic map. Instead of using periodic signal, the use of chaotic signal through PWM technology to control the brightness of LED can eliminate the strobe phenomenon. Keywords: Logistic Map; Chaotic Signal; PWM; Brightness Control 基于 PWM 调制混沌信号的亮度控制新方法研究 高诗简，石兰洁，原豪杰，黄 曦，周铁戈 南开大学信息技术学学院，天津 Email: gsj1010400@sina.com 收稿日期：2013 年3月16 日；修回日期：2013 年4月8日；录用日期：2013 年4月23 日 摘 要：混沌信号具有非周期、类噪声等特点。根据logistic 映射产生混沌序列，通过 DA 转换得到模拟的混沌 信号，利用 PWM 技术调制混沌信号来控制 LED 的亮度，可以消除因调制周期信号控制 LED 亮度时产生的频 闪现象，达到更好地亮度控制的效果。 关键词：Logistic 映射；混沌信号；PWM；亮度控制 1. 引言 目前常用控制亮度的方法主要有电流控制和脉 冲控制两种。电流控制原理是通过控制灯两端的电流 来改变其功率，从而改变亮度。这种方法实现起来较 为复杂，而且电流过高容易降低灯的使用时间，造成 资源的浪费。 PWM 脉宽调制是通过控制脉冲数量来控制灯的 发光亮度，这种方法调光效率高[1]，但是实际应用中 往往调制的是周期信号，导致频闪现象，对工业生产 和生活造成危害，例如因频闪产生错觉引发工伤事 故，造成青少年近视等[2]。若将产生的混沌信号进行 PWM 调制，不仅可以实现亮度控制，而且可以达到 节能环保，消除频闪的效果。 混沌信号区别于传统的确定性信号和随机过程 产生的信号，它的波形是非常不规则的，具有非周期、 类噪声的特点，但实际上它却是由确定性的规则所产 生的，所以对作为产生混沌信号的混沌信号发生器的 研究也引起了人们的极大兴趣和注意。大量的研究表 明，利用简单电路元件能有效的产生混沌信号[3]。传 统产生混沌信号的方法往往是利用分立的模拟器件 实现的，这种方法虽然操作简单，但是集成度低，稳 定性差。伴随着数字电路的兴起，可以利用数字系统 Copyright © 2013 Hanspub 7  基于 PWM 调制混沌信号的亮度控制新方法研究 产生混沌信号，利用单片机产生混沌信号则是其中一 种操作简单、应用广泛的方法。现在随着高亮度发光 二极管的产生。寿命长、能耗低的LED 灯应用越来 越广[4]，因此通过 PWM 技术调制产生单片机产生的 混沌信号实现对 LED亮度的控制也具有重要的意义。 2. 方法及电路实现 Logistic 映射的动力学方程为 nn XμX1X n (1) 它具有随机性、规律性、遍历性，且对参数的敏 感性高的特点。归一化的取值在 0~1之间，当满 足μ在3.58~4 之间，系统将进入混沌状态[5]。 n X 我们选用 ATMEL 公司生产的 AT 8 9 C 5 1的高效微 控制器，它具有低电压、高性能的特点，并且与工业 标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容，处理速度 快，控制灵活。考虑到单片机对浮点数处理的能力较 差[6]，而Logistic映射中的变量 Xn为0~1 的小数，为 了提高单片机的运算速度，利用线性映射 Xn = Xn*1024 将Xn映射到(0,1024]的区间上，将Logistic 参数置为 3.9，则通过映射 变换 后我们 得到 如下的 Logistic 映射方程： nn n X3.9X1024 X1024 (2) 启动定时器中断，每 1ms 产生一次中断进行迭代， 将得到的值送入DA 的数据输入端。这里选用的是TI 公司生产的高精度的 10 位串行模数转换器 TLC5615， 只需要通过 3 根串行总线就可以完成 10 位数据的 串行输入，易于和所选用的单片机进行接口连接。 通过 10 位高精度的DA 芯片 TLC5615 后，单片 机产生的每个时钟的数字混沌信号经过 D/A 转换后 可看作是近似连续的模拟信号。程序流程图件图1， DA 转换代码图2。其中，电位高低代表信号的电压 大小，由此，我们得到一系列由高低电平组成，大小 与混沌序列数值成正比的信号。图 3与图4分别为混 沌信号产生的电路原理图及产生的混沌信号在示波 器上的显示图案。 由图可以看出，混沌信号似乎表现出无规律的特 性，但信号的产生却有着可控制的规律性。通过单片 机产生的混沌信号，利用 PWM 技术调整 LED 亮灭时 开启定时器中断 开始 设置变量 进行 Logistic 运算 N 输出变量 DA 转换 是否中断 Y Figure 1. Main program flowchart 图1. 主程序流程图 void write_5615(uint da) { uchari; cs=1; sclk=0; cs=0; da=da0x03ff; for(i=0;i<12;i++) { if(bit)(da&0x0200==1) din=1; else din=0; sclk=1; da<<=1 ； sclk=0； cs=1; _nop_(); _nop_(); } Figure 2. C onv ersion fun cti on of DA 图2. DA转换函数 间来控制其亮度。PWM 是一种对模拟信号电平进行 Copyright © 2013 Hanspub 8  基于 PWM 调制混沌信号的亮度控制新方法研究 Copyright © 2013 Hanspub 9 Figure 3. Simulation diagram of the circuit schematic 图3. 电路原理仿真图 Figure 4. Chaotic signal on the oscilloscope 字编码的方法。 数器的使用，方波的占空比被调 制用 图6的上半部分均是通过单片机产生的混 沌信 图4. 混沌信号在示波器上的显示 数 通过高分辨率计 来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值 的直流供电要么完全有(ON) ，要么完全无(OFF) 。电 压或电流源是以一种通(ON) 或断(OFF) 的重复脉 冲序 列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被 加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时 候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进 行编码。 图5、 Figure 5. PWM coded map of the high re ference level 图5. 基准电压为高电平的 PWM 编码图 P级接 的亮 也就相应的越大，从而实现了对 LED 亮度的控制。 Prote 到比 D较器的输出，若占空比越大，则LE 度 图5所示的是基准电压较高的情形，因此输出高电平 的占空比小，LED 的亮度较暗，而图 6中德基准点压 较低，输出的高电平的占空比大，因此 LED 的亮度 较高，所以LED 的通断是通过改变占空比实现[7]。 通过调节滑动变阻器来调节参考电源的大小，进 而调节高电平占空比，改变发光二极管的亮度。通过 号，将此混沌信号与基准电压进行比较，若高于 此电压，输出数字信号1(高电平)，若低于此电压，则 输出数字信号0(低电平)，调整基准电压的大小，既可 以改变输出信号的占空比。将LED 的N级接低电平， us 仿真并实际搭建焊接电路后，验证了该方法的 正确性与实用性。由于是利用混沌信号来控制灯的亮  基于 PWM 调制混沌信号的亮度控制新方法研究 Figure 6. PWM coded map of the low reference level 图6. 基准电压为低电平的 PWM 编图 度，因 负面 应。 Logistic 映射序列进而产生混沌 操作简单易于实现的优点，但是考虑到单 参考文献 (References) 术[J]. 国外电子元器件, 2008, 此避免了频闪现象在生活、工业中的各种 效 3. 结果与讨论 利用单片机产生 信号具有 片 机自身的存储空间和运算速度的局限性，结果的精确 性受到了影响，因此在条件允许的前提下，可以考虑 使用更高精度的单片机。利用PWM 技术调制混沌信 号，实现了对 LED 的亮度控制，这种利用混沌信号 控制亮度的方式在提倡建设资源节约型社会的今天， 具有很强的实际意义，达到了消除频闪、节省能耗的 目的，可以在进一步的深入研究并完善后进行小规模 的推广使用。 [1] U. Kopp. 高亮度 LED 调光技 2(5): 64-67. [2] 林梅芬. 电光源的频闪问题中国高新技术企业[J].中国高新 技术企业, 2008, 10(11): 88-89. [3] 周平, 罗小华, 陈海燕. 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