RGB LED color control via Bluetooth
Time:2021-12-25
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智能燈越來越受歡迎，并且正在穩(wěn)步成為智能家居的關(guān)鍵部分。智能燈使用戶能夠通過智能手機上的應(yīng)用程序控制燈光，可以在APP界面打開和關(guān)閉燈，也可以調(diào)節(jié)顏色。在本文中，我們將介紹一個如何實現(xiàn)智能燈控制器的項目，可以手動按鈕或用移動APP通過藍牙進行控制。為了給這個項目增加一些特色，我們添加了一些功能，允許用戶從APP界面中包含的顏色列表中選擇照明顏色。還可以激活“自動混合”以產(chǎn)生彩色效果，也可以每半秒改變一次燈光。用戶可以使用PWM功能創(chuàng)建自己的顏色混合，該功能也可以用作三種基本顏色（紅色、綠色、藍色）的調(diào)光器。我們還在電路中添加了外部按鈕，以便用戶可以切換到手動模式并通過外部按鈕調(diào)換燈光顏色。
本文由兩部分組成：GreenPAK™設(shè)計和安卓應(yīng)用程序設(shè)計。GreenPAK設(shè)計基于使用UART接口進行通信。選擇UART是因為大多數(shù)藍牙模塊以及大多數(shù)其他外設(shè)（例如Wi-Fi模塊）都支持它。 因此，GreenPAK設(shè)計可用于多種連接類型。
為了創(chuàng)建這個項目，我們將使用SLG46620 GreenPAK IC、一個藍牙模塊和一個RGB LED。
GreenPAK IC將是該項目的控制核心：它從藍牙模塊和/或外部按鈕接收數(shù)據(jù)，然后開始所需的程序來顯示正確的照明。它還生成PWM信號并將其輸出到LED。下面的圖1展示了功能框圖。
圖1：框圖
該項目中使用的GreenPAK器件在單顆IC中包含了一個SPI連接接口、PWM功能塊、FSM和許多其他有用的附加功能塊。它還具有體積小、能耗低的特點。這使得制造商能用單個IC構(gòu)建小型實用電路，從而降低生產(chǎn)成本。
在這個項目中，我們將控制一個RGB LED。為了使該項目具有商用可行性，系統(tǒng)可能需要通過并聯(lián)多個LED并使用適當?shù)木w管來提高亮度等級；電源電路也需要考慮。我們對該項目完成了實現(xiàn)和檢驗。
GreenPAK設(shè)計
在GreenPAK Designer軟件中實現(xiàn)的設(shè)計由UART接收器、PWM單元和控制單元組成。
a) UART接收器
首先，我們需要設(shè)置藍牙模塊。大多數(shù)藍牙IC支持UART協(xié)議進行通信。UART是通用異步收發(fā)傳輸器，可以將數(shù)據(jù)在并行和串行格式之間相互轉(zhuǎn)換。它包括一個串行到并行接收器，和一個并行到串行轉(zhuǎn)換器，它們都單獨計時。
藍牙模塊中接收到的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)紾reenPAK器件。Pin10的空閑狀態(tài)為高（HIGH）。發(fā)送的每個字符都以邏輯“低起始位（Low Start bit）”開頭，然后是可配置數(shù)量的數(shù)據(jù)位（bit）和一個或多個邏輯“高停止位（High Stop bit）”。
UART發(fā)送器發(fā)送1個低起始位（Low Start bit）、8個數(shù)據(jù)位（bit）和1個高停止位（High Stop bit）。通常，藍牙模塊的UART默認波特率為9600。我們將從藍牙IC發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)到GreenPAK。
由于GreenPAK SPI功能塊沒有低起始位（Low Start bit）或高停止位（High Stop bit）控制，我們將使用這些位（bit）來啟用和禁用SPI時鐘信號（SCLK）。當Pin10變低（LOW）時，我們知道我們收到了一個低起始位（Low Start bit），因此我們使用GreenPAK 內(nèi)部的PDLY配置為下降沿檢測器來識別通信的開始。該下降沿檢測器為GreenPAK 內(nèi)部的DFF0提供觸發(fā)時鐘，從而啟用SCLK信號為GreenPAK SPI功能塊提供時鐘。
我們將波特率設(shè)定為每秒9600 bit/s，對應(yīng)SCLK周期為1/9600 = 104 µs。因此我們將OSC頻率設(shè)置為2MHz，并使用GreenPAK內(nèi)部的CNT0配置為分頻器。為了使接收到的時鐘周期是104 µs，需要將CNT0計數(shù)值設(shè)定為2818。
參照圖2中GreenPAK內(nèi)部的可配置單元圖示，為了確保不丟失任何數(shù)據(jù)，我們需要將SPI時鐘延遲半個時鐘周期，以便SPI功能塊在正確的時間被計時。我們通過使用CNT6、2-bit LUT1和OSC功能塊的外部時鐘來實現(xiàn)這一點。CNT6的輸出直到DFF0被計時后52 µs才會變高，是該SPI的SCLK周期104 µs的一半。當CNT6為高（HIGH）的時侯，配置為與門的2-bit LUT1允許時鐘信號（CLK Begin）進入OSC 的EXT. CLK0輸入，其輸出時鐘信號連接到CNT0的CLK端子。
圖2：系統(tǒng)電路框圖
b) PWM功能單元
參照圖3中GreenPAK內(nèi)部的可配置單元圖示，PWM信號是使用PWM0和相應(yīng)時鐘脈沖發(fā)生器（CNT8/DLY8）生成的。由于脈沖寬度是用戶可控的，我們使用FSM0（可以連接到PWM0）來統(tǒng)計用戶數(shù)據(jù)。
在SLG46620中，8-bit FSM1可以與PWM1和PWM2結(jié)合使用。需要連接藍牙模塊，即必須使用SPI并行輸出模塊。SPI并行輸出模塊的bit 0~7與DCMP1、DMCP2和LF OSC CLK的OUT1和OUT0組合。PWM0從16-bit FSM0獲得其輸出。如果不改變，這會導致脈沖寬度過載。為了將計數(shù)器值限制在8位（bits），我們添加了另一個FSM：FSM1用作提示計數(shù)器達到0或255的提示器。FSM0用于生成 PWM脈沖，因此FSM0和FSM1必須同步。由于兩個FSM都有預(yù)設(shè)的時鐘選項，因此CNT1和CNT3用作將CLK傳遞給兩個FSM的中間分頻媒介。這兩個計數(shù)器設(shè)置為相同的值，在本文中為25。我們可以通過改變這些計數(shù)器值來改變PWM值的變化率。
FSM的值由來自SPI并行輸出模塊的信號“+”和“-”來增加和減少。
圖3：PWM單元設(shè)計
c) 控制單元
參照圖4中GreenPAK內(nèi)部的可配置單元圖示，在控制單元內(nèi)，接收到的字節(jié)是從藍牙模塊獲取到SPI并行輸出，然后傳遞給相關(guān)的功能模塊。首先，將檢查PWM CS1和PWM CS2輸出，查看PWM模式是否被激活。如果它被激活，它將決定通過LUT4、LUT6和LUT7中的哪個通道輸出PWM。
LUT9、LUT11和LUT14負責檢查其他兩個LED的狀態(tài)。LUT10、LUT12和LUT13檢查手動按鈕是否被激活。如果手動模式處于開啟狀態(tài)，則RGB將根據(jù)D0、D1、D2輸出狀態(tài)運行，每次按下顏色按鈕時，這些輸出狀態(tài)會改變。它隨著來自CNT7的上升沿而變化，CNT7用作上升沿信號的去抖動功能。
Pin 20配置為輸入，用于在手動控制模式和藍牙控制模式之間切換。
如果禁用手動模式并開啟自動混合模式，則顏色每500毫秒改變一次，上升沿來自CNT7。4-bit LUT1 用于防止D0 D1 D2處于“000”狀態(tài)，因為該狀態(tài)會導致燈在自動混合模式時關(guān)閉。
如果手動模式、PWM模式和自動混合模式未啟用，則紅色、綠色和藍色SPI命令流向引腳12、13和14，這些引腳配置為輸出，并連接到外部RGB LED。
圖4：系統(tǒng)電路框圖
DFF6、DFF7和DFF8用于構(gòu)建3-bit二進制計數(shù)器。計數(shù)器值隨著CNT7脈沖增加，并在MUXs’（GreenPAK邏輯單元LUT10、LUT12、LUT13）的輸入端產(chǎn)生不同的D0，D1，D2邏輯組合。
安卓應(yīng)用程序
在本節(jié)中，我們將創(chuàng)建一個安卓應(yīng)用程序，它將監(jiān)測和顯示用戶的控件選擇。界面由兩部分組成：第一部分包含一組具有預(yù)定義顏色的按鈕，因此當按下這些按鈕中的任意一個時，相應(yīng)顏色的LED會亮起。第二部分（MIX方塊）為用戶創(chuàng)建混合顏色。
在第一部分，用戶選擇他們希望PWM信號通過的LED引腳；PWM信號一次只能傳遞到一個引腳。下面的列表在PWM模式期間邏輯地控制其他兩種顏色的開/關(guān)。
自動混合按鈕負責運行自動換燈光模式，每半秒換一次燈光。MIX部分包含兩個復(fù)選框列表，用戶可以決定將哪兩種顏色混合在一起。
我們使用MIT App Inventor網(wǎng)站創(chuàng)建了該應(yīng)用程序。該網(wǎng)站允許用戶在沒有任何軟件經(jīng)驗的情況下，使用圖形軟件塊創(chuàng)建安卓應(yīng)用程序。
我們最初設(shè)計的圖形界面添加了一組負責顯示預(yù)定義顏色的按鈕，我們還添加了兩個復(fù)選框列表，每個列表有3個元素；每個元素都在其單獨的框中顯示，如圖5所示。
圖5：App界面
用戶界面中的按鈕與軟件命令相關(guān)聯(lián)：應(yīng)用程序通過藍牙發(fā)送的所有命令都是以字節(jié)格式，每一個bit負責特定的功能。
表1顯示了發(fā)送到GreenPAK的命令幀的形式。
表1：bit幀表示
前三個bit：B0、B1和B2將通過預(yù)定義顏色的按鈕在直接控制模式下保持RGB LED的狀態(tài)。因此，當單擊其中任意一個按鈕時，將發(fā)送該按鈕的相應(yīng)值，如表2所示。
表2：命令bit表示
B3和B4 bit控制“+”和“-”命令，它們負責增加和減少脈沖寬度。按下按鈕時bit值為1，松開按鈕時bit值為0。
B5和B6 bit負責選擇PWM信號將通過的引腳（顏色）：這些bit的顏色指定如表3所示。最后一個bit B7負責激活自動混合功能。
表3：PWM通道選擇bit
圖6和圖7展示了將按鈕與負責發(fā)送以上值的編程塊鏈接的過程。
圖6：按鈕的編程塊
圖7：發(fā)送“+”和“-”命令幀
下方圖8為頂層電路圖。
8：電路圖
控制器已測試成功，顏色混合以及其他功能均顯示正常工作。
結(jié)論
在本文中，我們創(chuàng)建了一個由安卓應(yīng)用程序進行無線控制的智能燈電路。該項目中使用的GreenPAK IC有助于將幾個用于控制燈光的基本組件集成到一個小型IC中。
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