通过蓝牙控制RGB LED颜色
发布日期:2021-12-25
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智能灯越来越受欢迎，并且正在稳步成为智能家居的关键部分。智能灯使用户能够通过智能手机上的应用程序控制灯光，可以在APP界面打开和关闭灯，也可以调节颜色。在本文中，我们将介绍一个如何实现智能灯控制器的项目，可以手动按钮或用移动APP通过蓝牙进行控制。为了给这个项目增加一些特色，我们添加了一些功能，允许用户从APP界面中包含的颜色列表中选择照明颜色。还可以激活“自动混合”以产生彩色效果，也可以每半秒改变一次灯光。用户可以使用PWM功能创建自己的颜色混合，该功能也可以用作三种基本颜色（红色、绿色、蓝色）的调光器。我们还在电路中添加了外部按钮，以便用户可以切换到手动模式并通过外部按钮调换灯光颜色。
本文由两部分组成：GreenPAK™设计和安卓应用程序设计。GreenPAK设计基于使用UART接口进行通信。选择UART是因为大多数蓝牙模块以及大多数其他外设（例如Wi-Fi模块）都支持它。 因此，GreenPAK设计可用于多种连接类型。
为了创建这个项目，我们将使用SLG46620 GreenPAK IC、一个蓝牙模块和一个RGB LED。
GreenPAK IC将是该项目的控制核心：它从蓝牙模块和/或外部按钮接收数据，然后开始所需的程序来显示正确的照明。它还生成PWM信号并将其输出到LED。下面的图1展示了功能框图。
图1：框图
该项目中使用的GreenPAK器件在单颗IC中包含了一个SPI连接接口、PWM功能块、FSM和许多其他有用的附加功能块。它还具有体积小、能耗低的特点。这使得制造商能用单个IC构建小型实用电路，从而降低生产成本。
在这个项目中，我们将控制一个RGB LED。为了使该项目具有商用可行性，系统可能需要通过并联多个LED并使用适当的晶体管来提高亮度等级；电源电路也需要考虑。我们对该项目完成了实现和检验。
GreenPAK设计
在GreenPAK Designer软件中实现的设计由UART接收器、PWM单元和控制单元组成。
a) UART接收器
首先，我们需要设置蓝牙模块。大多数蓝牙IC支持UART协议进行通信。UART是通用异步收发传输器，可以将数据在并行和串行格式之间相互转换。它包括一个串行到并行接收器，和一个并行到串行转换器，它们都单独计时。
蓝牙模块中接收到的数据将传输到GreenPAK器件。Pin10的空闲状态为高（HIGH）。发送的每个字符都以逻辑“低起始位（Low Start bit）”开头，然后是可配置数量的数据位（bit）和一个或多个逻辑“高停止位（High Stop bit）”。
UART发送器发送1个低起始位（Low Start bit）、8个数据位（bit）和1个高停止位（High Stop bit）。通常，蓝牙模块的UART默认波特率为9600。我们将从蓝牙IC发送数据字节到GreenPAK。
由于GreenPAK SPI功能块没有低起始位（Low Start bit）或高停止位（High Stop bit）控制，我们将使用这些位（bit）来启用和禁用SPI时钟信号（SCLK）。当Pin10变低（LOW）时，我们知道我们收到了一个低起始位（Low Start bit），因此我们使用GreenPAK 内部的PDLY配置为下降沿检测器来识别通信的开始。该下降沿检测器为GreenPAK 内部的DFF0提供触发时钟，从而启用SCLK信号为GreenPAK SPI功能块提供时钟。
我们将波特率设定为每秒9600 bit/s，对应SCLK周期为1/9600 = 104 µs。因此我们将OSC频率设置为2MHz，并使用GreenPAK内部的CNT0配置为分频器。为了使接收到的时钟周期是104 µs，需要将CNT0计数值设定为2818。
参照图2中GreenPAK内部的可配置单元图示，为了确保不丢失任何数据，我们需要将SPI时钟延迟半个时钟周期，以便SPI功能块在正确的时间被计时。我们通过使用CNT6、2-bit LUT1和OSC功能块的外部时钟来实现这一点。CNT6的输出直到DFF0被计时后52 µs才会变高，是该SPI的SCLK周期104 µs的一半。当CNT6为高（HIGH）的时侯，配置为与门的2-bit LUT1允许时钟信号（CLK Begin）进入OSC 的EXT. CLK0输入，其输出时钟信号连接到CNT0的CLK端子。
图2：系统电路框图
b) PWM功能单元
参照图3中GreenPAK内部的可配置单元图示，PWM信号是使用PWM0和相应时钟脉冲发生器（CNT8/DLY8）生成的。由于脉冲宽度是用户可控的，我们使用FSM0（可以连接到PWM0）来统计用户数据。
在SLG46620中，8-bit FSM1可以与PWM1和PWM2结合使用。需要连接蓝牙模块，即必须使用SPI并行输出模块。SPI并行输出模块的bit 0~7与DCMP1、DMCP2和LF OSC CLK的OUT1和OUT0组合。PWM0从16-bit FSM0获得其输出。如果不改变，这会导致脉冲宽度过载。为了将计数器值限制在8位（bits），我们添加了另一个FSM：FSM1用作提示计数器达到0或255的提示器。FSM0用于生成 PWM脉冲，因此FSM0和FSM1必须同步。由于两个FSM都有预设的时钟选项，因此CNT1和CNT3用作将CLK传递给两个FSM的中间分频媒介。这两个计数器设置为相同的值，在本文中为25。我们可以通过改变这些计数器值来改变PWM值的变化率。
FSM的值由来自SPI并行输出模块的信号“+”和“-”来增加和减少。
图3：PWM单元设计
c) 控制单元
参照图4中GreenPAK内部的可配置单元图示，在控制单元内，接收到的字节是从蓝牙模块获取到SPI并行输出，然后传递给相关的功能模块。首先，将检查PWM CS1和PWM CS2输出，查看PWM模式是否被激活。如果它被激活，它将决定通过LUT4、LUT6和LUT7中的哪个通道输出PWM。
LUT9、LUT11和LUT14负责检查其他两个LED的状态。LUT10、LUT12和LUT13检查手动按钮是否被激活。如果手动模式处于开启状态，则RGB将根据D0、D1、D2输出状态运行，每次按下颜色按钮时，这些输出状态会改变。它随着来自CNT7的上升沿而变化，CNT7用作上升沿信号的去抖动功能。
Pin 20配置为输入，用于在手动控制模式和蓝牙控制模式之间切换。
如果禁用手动模式并开启自动混合模式，则颜色每500毫秒改变一次，上升沿来自CNT7。4-bit LUT1 用于防止D0 D1 D2处于“000”状态，因为该状态会导致灯在自动混合模式时关闭。
如果手动模式、PWM模式和自动混合模式未启用，则红色、绿色和蓝色SPI命令流向引脚12、13和14，这些引脚配置为输出，并连接到外部RGB LED。
图4：系统电路框图
DFF6、DFF7和DFF8用于构建3-bit二进制计数器。计数器值随着CNT7脉冲增加，并在MUXs’（GreenPAK逻辑单元LUT10、LUT12、LUT13）的输入端产生不同的D0，D1，D2逻辑组合。
安卓应用程序
在本节中，我们将创建一个安卓应用程序，它将监测和显示用户的控件选择。界面由两部分组成：第一部分包含一组具有预定义颜色的按钮，因此当按下这些按钮中的任意一个时，相应颜色的LED会亮起。第二部分（MIX方块）为用户创建混合颜色。
在第一部分，用户选择他们希望PWM信号通过的LED引脚；PWM信号一次只能传递到一个引脚。下面的列表在PWM模式期间逻辑地控制其他两种颜色的开/关。
自动混合按钮负责运行自动换灯光模式，每半秒换一次灯光。MIX部分包含两个复选框列表，用户可以决定将哪两种颜色混合在一起。
我们使用MIT App Inventor网站创建了该应用程序。该网站允许用户在没有任何软件经验的情况下，使用图形软件块创建安卓应用程序。
我们最初设计的图形界面添加了一组负责显示预定义颜色的按钮，我们还添加了两个复选框列表，每个列表有3个元素；每个元素都在其单独的框中显示，如图5所示。
图5：App界面
用户界面中的按钮与软件命令相关联：应用程序通过蓝牙发送的所有命令都是以字节格式，每一个bit负责特定的功能。
表1显示了发送到GreenPAK的命令帧的形式。
表1：bit帧表示
前三个bit：B0、B1和B2将通过预定义颜色的按钮在直接控制模式下保持RGB LED的状态。因此，当单击其中任意一个按钮时，将发送该按钮的相应值，如表2所示。
表2：命令bit表示
B3和B4 bit控制“+”和“-”命令，它们负责增加和减少脉冲宽度。按下按钮时bit值为1，松开按钮时bit值为0。
B5和B6 bit负责选择PWM信号将通过的引脚（颜色）：这些bit的颜色指定如表3所示。最后一个bit B7负责激活自动混合功能。
表3：PWM通道选择bit
图6和图7展示了将按钮与负责发送以上值的编程块链接的过程。
图6：按钮的编程块
图7：发送“+”和“-”命令帧
下方图8为顶层电路图。
8：电路图
控制器已测试成功，颜色混合以及其他功能均显示正常工作。
结论
在本文中，我们创建了一个由安卓应用程序进行无线控制的智能灯电路。该项目中使用的GreenPAK IC有助于将几个用于控制灯光的基本组件集成到一个小型IC中。
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