通過藍(lán)牙控制智能LED調(diào)光器

術(shù)語和定義

CMIC：可配置混合信號(hào)IC（Configurable Mixed-Signal Integrated Circuits）

UART：通用異步收發(fā)器（Universal asynchronous receiver-transmitter）

LED：發(fā)光二極管（Light-emitting diode）

SPI：串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface）

PWM：脈沖寬度調(diào)制（Pulse-width modulation）

FSM：有限狀態(tài)機(jī)（Finite-state machine）

LUT：查找表（Look-up table）

DFF：D觸發(fā)器（D-type flip-flop）

引言

本應(yīng)用筆記介紹了如何使用Dialog GreenPAK? SLG46620V創(chuàng)建智能數(shù)字調(diào)光器設(shè)計(jì)。調(diào)光器是住宅、酒店和許多建筑中常用的照明開關(guān)。較舊版本的調(diào)光開關(guān)是手動(dòng)的，一般包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)（電位計(jì)）或多個(gè)按鈕來控制照明水平。本應(yīng)用筆記介紹了如何創(chuàng)建可以通過兩種方法（智能手機(jī)和物理按鈕）控制照明亮度的數(shù)字調(diào)光器。這兩種模式可以無縫地協(xié)同工作，用戶可以通過按鈕或智能手機(jī)來調(diào)高或調(diào)低照明亮度。該項(xiàng)目采用了SLG46620V 可配置混合信號(hào)IC（CMIC）、HC-06藍(lán)牙模塊、按鈕和LED。

我們將使用SLG46620V CMIC，它有助于將分立器件數(shù)量降到最少。GreenPAK IC體積小，含有多用途組件，有助于設(shè)計(jì)人員減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)的元件數(shù)量和增加新功能。此外，項(xiàng)目的成本也隨之降低。SLG46620V這顆小巧的芯片中包含一個(gè)SPI連接接口、多個(gè)PWM模塊、有限狀態(tài)機(jī)（FSM）以及很多有用的附加模塊。這些組件有助于設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)建可以通過藍(lán)牙設(shè)備或墻壁按鈕進(jìn)行控制的實(shí)用智能調(diào)光器，支持延時(shí)調(diào)光，并提供額外的可選功能，而無需使用微控制器或昂貴的元件。

項(xiàng)目特點(diǎn)：

1.兩種控制方法：移動(dòng)app和實(shí)體按鈕

2.平滑的燈光開關(guān)過渡。這對消費(fèi)者來說更健康，也給人一種更豪華的感覺，這對酒店和其他服務(wù)行業(yè)很有吸引力。

3.睡眠模式功能。這是此應(yīng)用的一項(xiàng)附加價(jià)值，當(dāng)用戶開啟這個(gè)模式時(shí)，燈光亮度會(huì)在10分鐘內(nèi)逐漸降低。這有助于患有失眠癥的人，它也適用于兒童臥室和零售店（關(guān)閉時(shí)）。

項(xiàng)目界面

該項(xiàng)目界面有四個(gè)按鈕，作為GreenPAK輸入：

開/關(guān)：打開和關(guān)閉燈光（軟啟動(dòng)/關(guān)閉）

調(diào)亮：調(diào)高燈光亮度

調(diào)暗：調(diào)低燈光亮度

睡眠模式：開啟睡眠模式時(shí)，燈光亮度會(huì)在10分鐘內(nèi)逐漸降低。這給用戶睡前一些時(shí)間，并確保燈光不會(huì)整夜都亮著。

系統(tǒng)將輸出一個(gè)PWM信號(hào)，該信號(hào)將傳送到外部LED和睡眠模式LED指示燈。

GreenPAK芯片

圖1：調(diào)光器框圖

該GreenPAK設(shè)計(jì)由4個(gè)主要功能塊組成。第一個(gè)是UART接收器，它從藍(lán)牙模塊接收數(shù)據(jù)，提取命令，并將它們發(fā)送到控制單元。第二個(gè)功能塊是一個(gè)控制單元，它接收來自UART接收器或外部按鈕的命令。控制單元決定所需的操作（打開/關(guān)閉、調(diào)亮、調(diào)暗、啟用睡眠模式）。該單元使用LUT實(shí)現(xiàn)。

第三個(gè)功能塊是時(shí)鐘（CLK）發(fā)生器。在此項(xiàng)目中，采用了一個(gè)FSM計(jì)數(shù)器來控制PWM。FSM的值將根據(jù)3個(gè)頻率（高、中和低）給出的命令而變化（升高、降低）。在這個(gè)部分中，將生成三個(gè)頻率，所需的時(shí)鐘信號(hào)根據(jù)要求的順序傳輸給FSM；在打開/關(guān)閉操作時(shí)，高頻信號(hào)傳輸?shù)紽SM來進(jìn)行軟啟動(dòng)/停止。在調(diào)光期間，中頻信號(hào)通過。低頻信號(hào)在睡眠模式通過，從而更慢速地降低FSM值。然后，燈光亮度也會(huì)緩慢下降。第四個(gè)功能塊是PWM單元，它向外部LED生成脈沖。

GreenPAK設(shè)計(jì)

使用GreenPAK創(chuàng)建調(diào)光器設(shè)計(jì)的最佳方法是使用8 bit FSM和一個(gè)PWM。在SLG46620中，F(xiàn)SM1包含8 bits，可與PWM1和PWM2一起使用。必須連接藍(lán)牙模塊，這意味著必須使用SPI并行輸出。SPI并行輸出bits 0到7連接與DCMP1、DMCP2和LF OSC CLK、OUT1、OUT0 OSC輸出復(fù)用。PWM0從FSM0（16 bits）獲得其輸出。FSM0不會(huì)停在255；它可以增加到16383。為了將計(jì)數(shù)器值限制在8 bits，增加了另一個(gè)FSM；FSM1用來指示計(jì)數(shù)器何時(shí)達(dá)到0或255。FSM0用于生成PWM脈沖。由于必須同時(shí)更改兩個(gè)FSM的值來確保它們具有相同的值，因此設(shè)計(jì)變得有點(diǎn)復(fù)雜，兩個(gè)FSM都具有預(yù)定義的、有限的、可選CLK。使用CNT1和CNT3作為介體將時(shí)鐘信號(hào)傳送到兩個(gè)FSM。

設(shè)計(jì)包含以下部分：

1．UART接收器

首先，我們需要設(shè)置HC06藍(lán)牙模塊。HC06使用UART協(xié)議進(jìn)行通信。UART代表通用異步接收器/發(fā)射器。UART可以在并行和串行格式之間來回轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。它包括一個(gè)串行到并行接收器和一個(gè)并行到串行轉(zhuǎn)換器，它們的時(shí)鐘是分開的。HC06中接收到的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)轿覀兊腉reenPAK器件。引腳10的空閑狀態(tài)為HIGH。發(fā)送的每串?dāng)?shù)據(jù)都以邏輯低啟動(dòng)位，隨后是可配置數(shù)量的數(shù)據(jù)位，以及一個(gè)或多個(gè)邏輯高停止位。

HC06發(fā)送1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。它的默認(rèn)波特率是9600。我們將從HC06發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到GreenPAK SLG46620V的SPI模塊。

由于Silego SPI模塊沒有起始位或停止位控制，因此這些位用于使能和禁用SPI時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）。當(dāng)引腳10變?yōu)長OW時(shí)，IC已經(jīng)接收到一個(gè)起始位，所以我們使用PDLY下降沿檢測器來識(shí)別通信的開始。該下降沿檢測器為DFF0提供時(shí)鐘，使SCLK信號(hào)能夠?yàn)镾PI模塊提供時(shí)鐘。

我們的波特率為每秒9600位，所以我們的SCLK周期是1/9600 = 104 μs。因此，我們將OSC頻率設(shè)置為2 MHz，并使用CNT0作為分頻器。

2 MHz-1 = 0.5 μs

(104 μs / 0.5 μs) - 1 = 207

因此，我們希望CNT0計(jì)數(shù)器值為207。為確保不丟失數(shù)據(jù)，在SPI時(shí)鐘上增加半個(gè)時(shí)鐘周期延遲，從而SPI功能塊在正確的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。這是通過使用CNT6、2-bit LUT1和OSC模塊的外部時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)的。CNT6的輸出在DFF0計(jì)時(shí)52 μs后才會(huì)變高，這恰好是我們SCLK周期104 μs的一半。當(dāng)它變高時(shí)，2-bit LUT1 與門允許2 MHz OSC信號(hào)進(jìn)入EXT. CLK0輸入，其輸出連接到CNT0。

圖2：UART接收器

2．控制單元

在這部分中，將根據(jù)UART接收器接收的字節(jié)或根據(jù)來自外部按鈕的信號(hào)執(zhí)行命令。引腳12、13、14、15被初始化為輸入，并連接到外部按鈕。

每個(gè)引腳內(nèi)部連接到OR門輸入，門的第二個(gè)輸入端通過藍(lán)牙連接來自智能手機(jī)的相應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)將出現(xiàn)在SPI并行輸出上。

DFF6用于激活睡眠模式，其輸出變?yōu)楦?，上升沿來?-bit LUT4，而DFF10用于維持照明狀態(tài)，其輸出從低變?yōu)楦?，?dāng)每個(gè)上升沿來自3-bit LUT10輸出時(shí)反之亦然。

FSM1是一個(gè)8-bit計(jì)數(shù)器；當(dāng)它的值達(dá)到0或255時(shí)，它在輸出上給出一個(gè)高脈沖。因此，它用于防止FSM0（16-bit）的值超過255，它的輸出復(fù)位DFF，并且它將DFF10狀態(tài)從開啟變?yōu)殛P(guān)閉。如果照明由按鈕 + 和 - 控制，并且已達(dá)到最大/最小值，亦是這樣。

連接到FSM1輸入的信號(hào)keep、up將通過P11和P12到達(dá)FSM0，以保持同步，在兩個(gè)計(jì)數(shù)器上保持相同的值。

圖3：控制單元設(shè)計(jì)

3．時(shí)鐘發(fā)生器和復(fù)用器

在這部分中，將生成三個(gè)頻率，但只有一個(gè)頻率將在任一時(shí)候?yàn)镕SM計(jì)時(shí)。第一個(gè)頻率是RC OSC，它從矩陣0到P0取出。第二頻率是LF OSC，它也從矩陣0到P1取出。第三個(gè)頻率是CNT7輸出。

根據(jù)3-bit LUT14輸出，3-bit LUT9和3-bit LUT11允許一個(gè)頻率通過。之后，所選擇的時(shí)鐘通過CNT1和CNT3發(fā)送到FSM0和FSM1。

圖4：時(shí)鐘發(fā)生器設(shè)計(jì)

4. PWM

最后，F(xiàn)SM0值轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)，通過引腳20出現(xiàn)，引腳20初始化為輸出，并連接到外部LED。

圖5：PWM功能塊

安卓app

安卓app具有類似于真實(shí)界面的虛擬控制界面。它有五個(gè)按鈕：ON/OFF、UP、DOWN、睡眠模式和連接。該安卓應(yīng)用程序?qū)粹o按動(dòng)操作轉(zhuǎn)換為命令，并將命令發(fā)送到藍(lán)牙模塊來執(zhí)行。

這個(gè)app是用MIT App Inventor制作的，不需要任何編程經(jīng)驗(yàn)。App Inventor允許開發(fā)人員使用網(wǎng)頁瀏覽器連接編程模塊來為安卓OS設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用程序。您可以將我們的App導(dǎo)入MIT App Inventor，具體步驟為：單擊我的計(jì)算機(jī)上的項(xiàng)目 - > 導(dǎo)入項(xiàng)目（.aia），然后選擇此App Note中包含的.aia文件。

要?jiǎng)?chuàng)建安卓應(yīng)用程序，必須啟動(dòng)新項(xiàng)目。需要五個(gè)按鈕：一個(gè)是藍(lán)牙設(shè)備的列表選擇器，其他是控制按鈕。我們還需要添加藍(lán)牙客戶端。圖6是我們的安卓app用戶界面的截屏。

添加按鈕后，我們將為每個(gè)按鈕分配軟件功能。我們將使用4 bits來代表按鈕的狀態(tài)。每個(gè)按鈕一個(gè)bit， 因此，當(dāng)您按下按鈕時(shí)，一個(gè)特定的數(shù)字將通過藍(lán)牙發(fā)送到實(shí)際電路。

圖6：按鈕的編程模塊

這些數(shù)字如表1所示：

表1：指令-Bit表示

圖7：按鈕編程模塊

圖8：電路原理圖

圖9：原型界面

總結(jié)

本應(yīng)用筆記介紹了一種可以通過兩種方式（安卓app和實(shí)體按鈕）控制的智能調(diào)光器。介紹了GreenPAK SLG46620V內(nèi)部四個(gè)獨(dú)立的功能塊，用于控制增加或減少燈光PWM的工作流程。此外，還介紹了睡眠模式功能，作為該應(yīng)用中可選的額外調(diào)制的示例，該示例是低電壓的，也可以更改成高電壓的功能。