近年來(lái)，隨著全球節(jié)能減碳帶動(dòng)，發(fā)光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業(yè)應(yīng)用已愈加明顯。由于此類(lèi)照明往往會(huì)依據(jù)建筑物外觀與不同商業(yè)訴求而設(shè)計(jì)，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色LED所構(gòu)成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對(duì)不同照明體形狀進(jìn)行串接，構(gòu)成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結(jié)構(gòu)具備不妨礙視線、結(jié)構(gòu)輕、易于組裝與運(yùn)送等優(yōu)點(diǎn)，因此日益普及應(yīng)用于租賃市場(chǎng)、舞臺(tái)、建筑物領(lǐng)域。
然而，目前以RGB" title="RGB">RGB Cluster作為裝飾照明正面臨著如何兼顧效益性與美觀設(shè)計(jì)的兩難。因?yàn)楫?dāng)照明的建筑體外觀范圍擴(kuò)大，以及照明體設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高時(shí)，為達(dá)較佳的照明效果，就必須搭配較多數(shù)量的RGB Cluster與LED驅(qū)動(dòng)器等的組件串接，此不但會(huì)影響信號(hào)傳輸速度，且當(dāng)多顆RGB Cluster串接時(shí)，如何正確的傳送數(shù)據(jù)，乃是RGB LED應(yīng)用于建筑物照明所須考慮的問(wèn)題。
傳輸技術(shù)瓶頸待突破
目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構(gòu)多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數(shù)據(jù)兩個(gè)信號(hào)線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號(hào)線(圖1)來(lái)連接到每個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但三線或四線傳輸架構(gòu)會(huì)增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數(shù)將導(dǎo)致傳輸可靠性與穩(wěn)定性下降，不但無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應(yīng)用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對(duì)的缺點(diǎn)為需要較復(fù)雜的電路與電路成本達(dá)到所要求的傳輸穩(wěn)定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內(nèi)，串接顆數(shù)與傳輸距離也有限制。因此，就商業(yè)照明應(yīng)用而言，傳輸信號(hào)的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴(lài)性等不同要求的權(quán)衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時(shí)兼顧傳輸效能與質(zhì)量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。
圖1 傳統(tǒng)四線傳輸示意圖
近年來(lái)，隨著全球節(jié)能減碳帶動(dòng)，發(fā)光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業(yè)應(yīng)用已愈加明顯。由于此類(lèi)照明往往會(huì)依據(jù)建筑物外觀與不同商業(yè)訴求而設(shè)計(jì)，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色LED所構(gòu)成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對(duì)不同照明體形狀進(jìn)行串接，構(gòu)成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結(jié)構(gòu)具備不妨礙視線、結(jié)構(gòu)輕、易于組裝與運(yùn)送等優(yōu)點(diǎn)，因此日益普及應(yīng)用于租賃市場(chǎng)、舞臺(tái)、建筑物領(lǐng)域。
然而，目前以RGB Cluster作為裝飾照明正面臨著如何兼顧效益性與美觀設(shè)計(jì)的兩難。因?yàn)楫?dāng)照明的建筑體外觀范圍擴(kuò)大，以及照明體設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高時(shí)，為達(dá)較佳的照明效果，就必須搭配較多數(shù)量的RGB Cluster與LED驅(qū)動(dòng)器等的組件串接，此不但會(huì)影響信號(hào)傳輸速度，且當(dāng)多顆RGB Cluster串接時(shí)，如何正確的傳送數(shù)據(jù)，乃是RGB LED應(yīng)用于建筑物照明所須考慮的問(wèn)題。
傳輸技術(shù)瓶頸待突破
目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構(gòu)多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數(shù)據(jù)兩個(gè)信號(hào)線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號(hào)線(圖1)來(lái)連接到每個(gè)驅(qū)動(dòng)器，但三線或四線傳輸架構(gòu)會(huì)增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數(shù)將導(dǎo)致傳輸可靠性與穩(wěn)定性下降，不但無(wú)法滿(mǎn)足長(zhǎng)距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應(yīng)用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對(duì)的缺點(diǎn)為需要較復(fù)雜的電路與電路成本達(dá)到所要求的傳輸穩(wěn)定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內(nèi)，串接顆數(shù)與傳輸距離也有限制。因此，就商業(yè)照明應(yīng)用而言，傳輸信號(hào)的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴(lài)性等不同要求的權(quán)衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時(shí)兼顧傳輸效能與質(zhì)量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。
圖1 傳統(tǒng)四線傳輸示意圖
二線傳輸提高信賴(lài)/穩(wěn)定性
如果舍棄栓鎖信號(hào)線，以二線方式傳輸則可以利用頻率與數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)完成數(shù)據(jù)栓鎖(圖2)，其好處較其它多線或單線傳輸為多，包括傳送速率與特定條件下的串接RGB Cluster顆數(shù)可達(dá)三百顆以上的水平，成本與信賴(lài)性也較佳(表1)。
但是二線傳輸若以頻率的高位準(zhǔn)狀態(tài)區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)當(dāng)做封包的起始和結(jié)束命令，則頻率與數(shù)據(jù)每經(jīng)過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)器，輸入與輸出存在著傳輸延遲，若串接多級(jí)Cluster及長(zhǎng)距離傳輸將不易控制結(jié)束命令，且頻率經(jīng)過(guò)多級(jí)傳輸會(huì)改變脈寬。因此針對(duì)二線傳輸協(xié)議，本文將提出智能型傳輸技術(shù)方案，進(jìn)一步解決上述問(wèn)題。
圖2 二線傳輸示意圖
表1 不同傳輸模式優(yōu)劣比較表
自動(dòng)尋址/栓鎖角色吃重
所謂智能型傳輸技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的自動(dòng)尋址(Auto-addressing)與自動(dòng)栓鎖(Auto-latch)，以及脈寬波度的反相位(Clock-Inversed)等，透過(guò)上述方式來(lái)提高串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男刨?lài)性與穩(wěn)定性。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)封包架構(gòu)如圖3所示，包括前置時(shí)間(Prefix)、檔頭(Header)及數(shù)據(jù)，控制器僅須于檔頭區(qū)段設(shè)定數(shù)據(jù)類(lèi)型的命令(Header)、地址(Address)、串接驅(qū)動(dòng)器數(shù)目(Length)及檢查碼(Parity Check)(圖4)。
圖3 資料封包架構(gòu)示意圖
圖4 檔頭架構(gòu)示意圖
封包每經(jīng)過(guò)一級(jí)，檔頭的內(nèi)容運(yùn)算后傳遞至下一級(jí)。傳遞的過(guò)程中，文件頭內(nèi)的地址隨著經(jīng)過(guò)的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目遞增，以作為下一顆驅(qū)動(dòng)器尋址之用。每一顆串接驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部則自動(dòng)尋址，此自動(dòng)尋址方式可將數(shù)據(jù)正確地寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)器，文件頭內(nèi)的串接數(shù)目不隨經(jīng)過(guò)的驅(qū)動(dòng)器個(gè)數(shù)改變，但驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部緩存器會(huì)存放串接數(shù)目與地址做邏輯運(yùn)算后的參數(shù)。當(dāng)文件頭的地址與此參數(shù)一致時(shí)，代表封包已傳遞至串接路徑中的最后一顆驅(qū)動(dòng)器，最后一顆驅(qū)動(dòng)器的影像數(shù)據(jù)到位后，即會(huì)觸發(fā)自動(dòng)栓鎖的功能。驅(qū)動(dòng)器的串接數(shù)目是以串接的驅(qū)動(dòng)器顆數(shù)以遞減的方式填寫(xiě)。而地址與串接數(shù)目無(wú)關(guān)，填0(10b''0000000000)(圖5)。當(dāng)傳輸?shù)臈l件惡劣時(shí)，檢查碼即可查看文件頭數(shù)據(jù)的正確性，避免誤寫(xiě)以取得更可靠的傳輸質(zhì)量。
圖5 地址累計(jì)加總示意圖
脈寬頻率反相確保傳輸穩(wěn)定
在傳輸?shù)倪^(guò)程中，因傳輸距離以及串接多級(jí)組件的關(guān)系，產(chǎn)生信號(hào)之失真與寬度改變，無(wú)法維持50%的工作周期(Duty Cycle)，如此信號(hào)寬度改變重復(fù)累積之下，最后的信號(hào)脈寬將無(wú)法正確的驅(qū)動(dòng)組件。其中脈寬之維持在于每一級(jí)傳輸單元輸入脈波信號(hào)之脈波寬度，以及輸出相等的脈波信號(hào)至下一級(jí)傳輸單元，如此可避免信號(hào)寬度改變。主要的脈寬改變?cè)蛑粸轭l率信號(hào)中的正緣延遲(由低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粶?zhǔn)之時(shí)間)與負(fù)緣延遲(由高位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈臀粶?zhǔn)之時(shí)間)不一致所造成。若負(fù)緣延遲時(shí)間較長(zhǎng)，亦即由高位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)榈臀粶?zhǔn)之速度較慢；相對(duì)的正緣延遲時(shí)間較短，由低位準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粶?zhǔn)之速度較快，則經(jīng)過(guò)多級(jí)傳輸單元后，正脈波寬度即會(huì)越來(lái)越寬(圖6)。頻率每經(jīng)過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)器會(huì)有傳輸延遲，且工作周期也會(huì)改變，如前述經(jīng)過(guò)多級(jí)驅(qū)動(dòng)器之后，工作周期無(wú)法保持50%，至第十級(jí)的輸入工作周期失真改變成為56.45%(圖7)。
圖6 正脈波寬度改變示意圖
圖7 脈波工作周期實(shí)際波形量測(cè)
針對(duì)上述問(wèn)題，常見(jiàn)的解決方式是將某一級(jí)傳輸單元所接收的頻率信號(hào)做反相(Phase-Inversed Output Clock)，再輸出此一反相頻率信號(hào)至下一級(jí)傳輸單元，此種情形之下，每經(jīng)過(guò)一級(jí)傳輸單元，頻率信號(hào)反相，本級(jí)的低位準(zhǔn)變?yōu)橄乱患?jí)的高位準(zhǔn)、本級(jí)的高位準(zhǔn)變?yōu)橄乱患?jí)的低位準(zhǔn)，因此本級(jí)的正緣變?yōu)橄乱患?jí)的負(fù)緣、本級(jí)的負(fù)緣變?yōu)橄乱患?jí)的正緣。
盡管此時(shí)正緣延遲與負(fù)緣延遲不一致，但由于頻率信號(hào)正緣，相對(duì)于其后的負(fù)緣時(shí)間上產(chǎn)生時(shí)間變化，如圖8之t1所示，會(huì)在下一級(jí)頻率信號(hào)反相之后，使頻率信號(hào)正緣變成頻率信號(hào)之負(fù)緣，而相對(duì)于其后的正緣時(shí)間上產(chǎn)生t2的時(shí)間變化，在相同條件下t1與t2會(huì)相互抵消，故使得脈寬維持在原先的輸入脈波寬度，如圖9所示為十級(jí)串接且每一極輸出反相，如此可減少頻率信號(hào)每通過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)器時(shí)產(chǎn)生的脈寬失真，確保頻率寬度可以通過(guò)多級(jí)驅(qū)動(dòng)器而不縮小或增大，第十級(jí)的輸入頻率依舊維持50%工作周期。
圖8 脈波寬度改變解決方式示意圖
圖9 脈寬反相之工作周期波形量測(cè)
隨著RGB LED應(yīng)用多樣化，如何在精簡(jiǎn)成本的考慮下，采用穩(wěn)定可靠的傳輸技術(shù)，讓影像數(shù)據(jù)格式在傳輸過(guò)程中不因?yàn)橥庠诃h(huán)境變化而扭曲，就必須在傳輸頻率、級(jí)數(shù)及線材成本等之間作取舍。
由于傳輸距離越長(zhǎng)，傳輸質(zhì)量受到的影響即越嚴(yán)重，為解決此問(wèn)題，本文提出二線傳輸模式并搭配智能型之?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)尋址與自動(dòng)栓鎖，以正確地傳送數(shù)據(jù)，并透過(guò)頻率信號(hào)波形反相，維持輸入頻率信號(hào)之脈波寬度與工作周期，透過(guò)上述方式，以確保傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。