建筑照明应用包括多种类型，如室外照明、一般室内照明、装饰照明和应急照明等。您可能未曾考虑过在这些应用中设计加入MCU，但在运用固态照明(SSL)技术时就有诸多理由支持这样做，而且每一应用都具有独特的智能要求。SSL技术通常需要用到一个电子驱动器，而MCU正是实现此目的的理想选择，因为针对这一应用，MCU提供了成本、尺寸、存储器、性能和外设的组合。

计算技术经历了漫长的发展。过去需要体积庞大且价值数百万美元的高耗电设备才能完成的计算，现在只需小如指尖且耗电量仅为数毫瓦的器件即可实现，并且这些器件在很多情况下的成本不足一美元！实际上，这些技术上的进步已使嵌入式单片机(MCU)技术几乎深入到了我们生活中的所有领域，包括建筑照明应用。

建筑照明应用包括多种类型，如室外照明、一般室内照明、装饰照明和应急照明等。您可能未曾考虑过在这些应用中设计加入MCU，但在运用固态照明(SSL)技术时就有诸多理由支持这样做，而且每一应用都具有独特的智能要求。例如，应急照明应能进行自我诊断并与火灾报警系统进行通信；装饰照明可能需要变色控制；室内照明可能需要对占位传感器做出响应或与中央照明控制器进行通信。SSL技术通常需要用到一个电子驱动器，而MCU正是实现此目的的理想选择，因为针对这一应用，MCU提供了成本、尺寸、存储器、性能和外设的组合。

一个小型的MCU可为SSL应用增添极大的灵活性和实用价值。特别是在以下几个方面MCU将会有所帮助：调节光质；延长LED的寿命和可靠性；提供通信、检测和控制；提高能源的使用效率。

在设计中凭借MCU的智能特性，可轻松改变系统对不同事件的响应方式。可通过简单的代码修改来更改产品的特性和功能。例如，可通过编程设置灯具的软启动配置来实现任何期望的频率。又如，可以以任何期望的方式来响应过电压、过电流或者过热故障。您可能希望灯具尝试5次重启，5次后，灯具能够关闭以避免损坏驱动元器件。随后，您可能又会决定灯具应仅尝试两次重启。那么，实现这一更改便不需要进行任何的硬件改动。

MCU可通过三种方式集成到SSL系统中。首先，可采用单独MCU和驱动器的解决方案；其次，可使用混合信号解决方案，混合信号解决方案是将MCU同实现驱动器所需的模拟外设一起集成到同一封装之中；后，可以采用全数字解决方案，由软件控制环(而非模拟控制环)来调节驱动器。

上文中提到MCU可用于帮助调节光质，您可能会对此感到好奇。MCU可从两个方面提高LED的光质：光通量维持和色彩调整。众所周知，LED的光输出将随个体的不同及寿命和温度的变化而变化。大多数LED供应商都提供了器件的分选服务以帮助减少个体差异。然而，LED的光输出仍将受到老化和温度的影响而衰减。此外，如果工作温度超过了一定的级别，则将会加速器件的老化过程。

为延长功率LED的寿命，必须保持管芯温度低于制造商的规定值。和其他光源一样，LED不以红外线辐射方式辐射热量。对于终端应用而言，这是一个优点。但其缺点是LED的管芯和封装将会吸收必须传导至灯具外的热量。

如果将LED灯具和LED驱动器设计为一个系统，设计人员可以在灯具结构中布置散热路径。散热保护措施可以采用附加散热材料或者灯体外壳采用适当通风的形式。但是，LED驱动器设计人员可能不知道驱动器将会安装到何种灯具上。实际上，可将驱动器安装在各种不同的灯具上以节约成本。在这种情况下，可在驱动器系统中建立主动热保护机制。

MCU可以灵活调节LED的光输出和工作温度。控制LED发光亮度有两种方法可供选择。首先，可通过改变LED的驱动电流来获取期望的发光亮度。其次，可采用脉宽调制(PWM)控制信号来调节LED驱动器的输出。产生的发光亮度将与PWM信号导通LED的平均时间成正比。PWM信号的频率应设定得足够高，以至人眼不会感觉到任何程度的闪烁。控制LED发光亮度应PWM控制方法，因为这种方法能够保证LED始终以有效的工作电流进行工作。

将MCU添加到SSL电路中并不一定会增加系统复杂度或成本。图1中将一个6引脚MCU连接到LED驱动器电路以提供调光和热量控制，该MCU具有一个8位模数转换器(ADC)和4个I/O引脚。ADC读取电位器值后生成一个PWM信号，用于控制LED驱动器的调光输入引脚。此系统中还包含了一个温度传感器，用于监视LED散热片的温度。如有需要的话，MCU软件还可通过降低LED的光输出强度来保护LED。

图1：6引脚PIC10F222 MCU为开关模式LED驱动器增加调光控制和热保护功能。

您可能会注意到，在此应用中采用一个I/O引脚来为电位器供电，这是一种将非常简单和低廉的偏置电源电路与MCU结合使用的节能技术。当对电压进行采样时，其仅为电位器提供了一段短时电流。因此，MCU和电位器偏置消耗的平均电流将非常低。

图1所示MCU电路可用于提供多种不同种类的检测功能。对于日光采集应用，您可能需要使用光传感器来检测环境中的光亮度。可将一个光电池或者光电二极管电路连接到MCU的ADC输入并进行测量，以实现此目的。还可添加一个无源红外(PIR)检测器来实现占位检测。

PWM调光技术还可用于变色应用。在色彩应用中，3个PWM信号分别用于控制红色、绿色和蓝色LED驱动电路。如果不需要高色彩的分辨率，则可以使用一个不带PWM外设的基本的MCU。这三个PWM信号具有相对较低的频率并可使用软件生成。

图2所示的色彩控制应用使用了一个带有内部稳压器和振荡器的低成本8引脚MCU，此类系统可用于车内照明或者装饰照明应用。此MCU通过读取电位器上的电压值来获得用户要求的色彩。然后，可设置三个软件PWM信号的占空比，生成相应的颜色。每个PWM信号均可提供64个占空比等级，从而能够提供合适的色彩组合范围。

图2：8引脚PIC12HV615 MCU通过RGB LED提供简单的色彩控制。

对于需要更精确色彩控制的应用，可以采用带硬件PWM外设的MCU，以提供对红色、绿色和蓝色通道的高分辨率调光控制。图3所示的系统在每个色彩通道上提供了16,384个调整等级。可通过添加一个光学色彩传感器来提供闭环色彩控制。色彩传感器可使色彩在大范围调光级别下保持不变，并可用于纠正LED的老化特性。

图3：PIC18F1330 MCU与TCS230色彩传感器配合使用以提供对RGB光源的精确色彩控制。

许多数字通信协议都可用于照明应用之中，其中一个协议是DMX-512。DMX-512协议旨在用于舞台灯光控制的应用，但由于其具有简单和低成本的特性，在建筑照明应用中也得到了普及。该协议支持单向、高速控制多达512个照明通道。实现DMX-512协议需要一个带UART外设的MCU。UART配置为250kbps通信。RS-485收发器用于在物理上连接节点，支持使用双绞线进行长距离连接。

大型楼宇可以使用数字可寻址照明接口(DALI)，它提供了一种联网照明灯具组的方法。DALI使用了1200bps曼切斯特编码的串行数据流，该数据流几乎可在任何MCU上轻松实现。楼宇管理系统中通常使用的其他协议包括以太网和RS-485。IEEE 802.15.4无线网络协议栈(例如ZigBee和MiWi无线协议)具有广阔的照明控制网络应用前景。这些无线通信协议旨在运行于具有有限存储器资源的小型MCU上。

好使用具有恒流源驱动的功率LED，并且大部分功率LED应用都需要一个恒流驱动器。该驱动器可以采用线性或开关模式的解决方案实现，具体取决于其功率等级。若考虑到能源效率，该驱动器几乎只能采用开关模式。

用于电压源的开关模式拓扑也可用于恒流LED驱动器。以指定驱动电流工作时，功率LED的阳极和阴极之间存在正向压降(VF)。LED的VF、隔离要求及可用电源电压将决定应采用何种开关模式的拓扑。

如上文所述，MCU可用于提供电源功能的全数字控制。就LED驱动器来说，可使用MCU的片上ADC对LED电流进行测量。接着将对信号误差进行计算，该误差为电源的输出电流期望值和测量值之间的差值。然后，由软件计算控制环路，并且计算结果将被用于设置控制电源输出的PWM占空比。比例积分(PI)控制算法常被用于实现此目的，并且允许用户通过调整控制程序系数来获得期望的闭环响应。

实现典型LED电源的全数字控制并不需要很强的MCU处理能力。这意味着，一个低成本、低功耗的MCU即可完成此工作。某些电源需对负载或输入电压变化做出非常快的响应，在这些情况下，需要具有快速的ADC采样率和快速的PID环路计算，这就需要采用更加昂贵的MCU或者数字信号控制器(DSC)。然而，LED对电源而言将表现为一个相对恒定的负载，因此通常不需要具有快速控制响应。

图4所示为一个恒流LED驱动器。此MCU具有一个内部稳压器和振荡器，因此不需要增加外部元器件。MCU还具有一个PWM模块，该模块用于以125kHz驱动降压电路。在MOSFET导通时将测量LED电流，且运放电路在ADC采样信号之前对信号进行放大和滤波。

图4：PIC12HV615 MCU和MCP601运放用于实现降压LED恒流驱动器。在软件中使用PI控制程序执行LED电流调整。

系统将以1kHz速率对电流进行采样并执行PI控制程序。电流控制程序计算过程将使用大约45%的可用CPU处理时间，为其他功能留下了充裕的处理时间。如果被测电流在指定范围以内，则不执行PI控制程序。这将为其他任务提供更多的CPU处理时间。当LED电流稳定到目标值时，占用的CPU处理时间将小于5%。

实现PI控制程序相对较简单，仅需编写几行C代码即可实现。该PI控制程序以两种方式对电流误差信号做出响应。首先，将误差信号与增益值相乘生成比例响应。如果误差较大，控制程序将以较大变化来增加或者减小电源输出。如果误差较小，控制程序将产生较小的输出变化。

仅具有比例响应的控制程序无法将误差完全减小到零。也就是说，LED的驱动电流将永远达不到目标值。每次对输出进行测量后，控制程序的积分部分都将计算得到的误差数据累加到当前的累加和之中。然后将之前的所有误差之和乘以增益值，添加到控制程序的比例输出。积分项提供了一种纠正小稳态电源输出误差的方法，因为随着时间的推移，小误差值的累加将产生较大的输出误差。

相同的PI控制程序可用于驱动多种LED负载和电源转换级。对于每种不同的应用，都可通过调整控制程序的软件增益值来提供的系统性能。其他的软件值可用于指定特定驱动器应用的工作条件。

图4所示的电路具有一些额外的I/O引脚，这些引脚可用于反馈其他信息，例如LED电压或者温度。

本文介绍了MCU为SSL增添实用价值和灵活性的几种方法。许多建筑照明应用都可受益于MCU带来的智能，包括一般室内照明、应急照明和装饰加强照明。MCU在应用中可以提供各种功能，包括用户界面功能、系统保护和对LED缺陷的补偿。MCU甚至可以通过调整LED的驱动电流来直接控制功率级。