改善RGB LED应用于建筑照明过程中信号传输问题分析

近年来，随着全球节能减碳带动，发光二极管作为建筑物外观、装饰照明、情境照明等商业应用已愈加明显。由于此类照明往往会依据建筑物外观与不同商业诉求而设计，多采用由红、绿、蓝三色LED所构成的像素丛集作为照明单位，以制造多样性的光影变化效果，并对不同照明体形状进行串接，构成LED窗帘幕、条状屏幕等。这些照明结构具备不妨碍视线、结构轻、易于组装与运送等优点，因此日益普及应用于租赁市场、舞台、建筑物领域。

然而，目前以RGB Cluster作为装饰照明正面临着如何兼顾效益性与美观设计的两难。因为当照明的建筑体外观范围扩大，以及照明体设计复杂度提高时，为达较佳的照明效果，就必须搭配较多数量的RGB Cluster与LED驱动器等的组件串接，此不但会影响信号传输速度，且当多颗RGB Cluster串接时，如何正确的传送数据，乃是RGB LED应用于建筑物照明所须考虑的问题。

传输技术瓶颈待突破

目前，采用RGB Cluster串接的传输架构多采用三线或四线传输，即除了频率及数据两个信号线之外，尚须控制栓锁及灰阶频率信号线来连接到每个驱动器，但三线或四线传输架构会增加防水线材与接口消耗，且更多的接口数将导致传输可靠性与稳定性下降，不但无法满足长距离传输需求，反而限制RGB Cluster像素的广泛应用。至于单线传输，除了传输线材成本较少，但相对的缺点为需要较复杂的电路与电路成本达到所要求的传输稳定性，且传输频率受限在一定的范围之内，串接颗数与传输距离也有限制。因此，就商业照明应用而言，传输信号的选择即是一连串传输效能、传输距离、成本、线材、空间、信赖性等不同要求的权衡与取舍。如何在成本控制得宜下采用较少线材，同时兼顾传输效能与质量，即是目前RGB LED作为建筑物照明必须突破的方向。

图1、传统四线传输示意图

二线传输提高信赖/稳定性

如果舍弃栓锁信号线，以二线方式传输则可以利用频率与数据信号来完成数据栓锁，其好处较其它多线或单线传输为多，包括传送速率与特定条件下的串接RGB Cluster颗数可达三百颗以上的水平，成本与信赖性也较佳。

但是二线传输若以频率的高位准状态区间内的数据个数当做封包的起始和结束命令，则频率与数据每经过一级驱动器，输入与输出存在着传输延迟，若串接多级Cluster及长距离传输将不易控制结束命令，且频率经过多级传输会改变脉宽。因此针对二线传输协议，本文将提出智能型传输技术方案，进一步解决上述问题。

图2、二线传输示意图

表1、不同传输模式优劣比较表

自动寻址/栓锁角色吃重

所谓智能型传输技术主要包括数据传输时的自动寻址与自动栓锁，以及脉宽波度的反相位等，透过上述方式来提高串行数据传输的信赖性与稳定性。一个完整的数据封包架构如图3所示，包括前置时间、档头及数据，控制器仅须于档头区段设定数据类型的命令、地址、串接驱动器数目及检查码。

图3、资料封包架构示意图

图4、档头架构示意图

封包每经过一级，档头的内容运算后传递至下一级。传递的过程中，文件头内的地址随着经过的驱动器数目递增，以作为下一颗驱动器寻址之用。每一颗串接驱动器内部则自动寻址，此自动寻址方式可将数据正确地写入驱动器，文件头内的串接数目不随经过的驱动器个数改变，但驱动器内部缓存器会存放串接数目与地址做逻辑运算后的参数。当文件头的地址与此参数一致时，代表封包已传递至串接路径中的最后一颗驱动器，最后一颗驱动器的影像数据到位后，即会触发自动栓锁的功能。驱动器的串接数目是以串接的驱动器颗数以递减的方式填写。而地址与串接数目无关，填0。当传输的条件恶劣时，检查码即可查看文件头数据的正确性，避免误写以取得更可靠的传输质量。

图5、地址累计加总示意图

脉宽频率反相确保传输稳定

在传输的过程中，因传输距离以及串接多级组件的关系，产生信号之失真与宽度改变，无法维持50%的工作周期，如此信号宽度改变重复累积之下，最后的信号脉宽将无法正确的驱动组件。其中脉宽之维持在于每一级传输单元输入脉波信号之脉波宽度，以及输出相等的脉波信号至下一级传输单元，如此可避免信号宽度改变。主要的脉宽改变原因之一为频率信号中的正缘延迟与负缘延迟不一致所造成。若负缘延迟时间较长，亦即由高位准转变为低位准之速度较慢；相对的正缘延迟时间较短，由低位准转变为高位准之速度较快，则经过多级传输单元后，正脉波宽度即会越来越宽。频率每经过一级驱动器会有传输延迟，且工作周期也会改变，如前述经过多级驱动器之后，工作周期无法保持50%,至第十级的输入工作周期失真改变成为56.45%。

图6、正脉波宽度改变示意图

图7、脉波工作周期实际波形量测

针对上述问题，常见的解决方式是将某一级传输单元所接收的频率信号做反相，再输出此一反相频率信号至下一级传输单元，此种情形之下，每经过一级传输单元，频率信号反相，本级的低位准变为下一级的高位准、本级的高位准变为下一级的低位准，因此本级的正缘变为下一级的负缘、本级的负缘变为下一级的正缘。

尽管此时正缘延迟与负缘延迟不一致，但由于频率信号正缘，相对于其后的负缘时间上产生时间变化，如图8之t1所示，会在下一级频率信号反相之后，使频率信号正缘变成频率信号之负缘，而相对于其后的正缘时间上产生t2的时间变化，在相同条件下t1与t2会相互抵消，故使得脉宽维持在原先的输入脉波宽度，如图9所示为十级串接且每一极输出反相，如此可减少频率信号每通过一级驱动器时产生的脉宽失真，确保频率宽度可以通过多级驱动器而不缩小或增大，第十级的输入频率依旧维持50%工作周期。

图8、脉波宽度改变解决方式示意图

图9、脉宽反相之工作周期波形量测

随着RGB LED应用多样化，如何在精简成本的考虑下，采用稳定可靠的传输技术，让影像数据格式在传输过程中不因为外在环境变化而扭曲，就必须在传输频率、级数及线材成本等之间作取舍。

由于传输距离越长，传输质量受到的影响即越严重，为解决此问题，本文提出二线传输模式并搭配智能型之数据自动寻址与自动栓锁，以正确地传送数据，并透过频率信号波形反相，维持输入频率信号之脉波宽度与工作周期，透过上述方式，以确保传输系统的稳定性。