微控制器是任何控制系統(tǒng)的核心，對(duì)于商業(yè)照明，它們?cè)诮档凸姆矫婵梢园l(fā)揮兩個(gè)關(guān)鍵作用。

將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加到照明系統(tǒng)允許從中心點(diǎn)控制照明系統(tǒng)，與企業(yè)軟件集成以打開和關(guān)閉電源。然而，微控制器的集成度越來越高，尤其是脈沖寬度調(diào)制模塊，使它們能夠直接控制照明系統(tǒng)，從而提供更有效的控制并降低成本。

降低商業(yè)設(shè)施的能源供應(yīng)成本是關(guān)鍵的擁有成本要求。隨著能源成本的上升，商業(yè)辦公環(huán)境的照明成本是相當(dāng)大的。當(dāng)房間里沒有人時(shí)能夠關(guān)閉照明，并根據(jù)建筑物的占用情況自動(dòng)打開和關(guān)閉，這使得設(shè)施管理者可以大大降低運(yùn)營(yíng)成本。

這是“日光采集”的一部分，自然光與人工照明系統(tǒng)相結(jié)合，使環(huán)境盡可能有效地工作，并降低成本。這需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，在不同的地方使用不同類型的照明系統(tǒng)來產(chǎn)生不同類型的光。例如，在遠(yuǎn)離來自窗戶的自然光的較暗區(qū)域中的鹵素聚光燈獲得在當(dāng)天晚些時(shí)候開啟的功能，而不是使用不斷開啟的更多漫射熒光燈。

所有這些系統(tǒng)也應(yīng)連接到中央控制器，以優(yōu)化照明在白天和晚上的使用。這些控制系統(tǒng)需要盡可能簡(jiǎn)單易用，理想情況是內(nèi)置于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的智能，以降低用戶的整體復(fù)雜性。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微控制器選擇取決于所使用的無線協(xié)議。在商業(yè)環(huán)境中，能夠使用現(xiàn)有的2.4GHz Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)來鏈接照明控制節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。節(jié)點(diǎn)的功耗不是一個(gè)大問題，因?yàn)殡娫纯梢耘c燈一起提供，并且具有可以與現(xiàn)有企業(yè)系統(tǒng)集成的一致，同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)是關(guān)鍵。否則，需要單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且作為獨(dú)立操作運(yùn)行可能更昂貴。這可以是更簡(jiǎn)單的ZigBee系統(tǒng)的情況，盡管這種技術(shù)正被更多的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)使用，如果已經(jīng)安裝，它可能是一個(gè)可行的選擇。

將接口連接到燈本身是微控制器變得重要的另一個(gè)領(lǐng)域。該功能不是設(shè)計(jì)單獨(dú)的脈沖寬度調(diào)制電路，而是越來越多地集成到微控制器中。這為優(yōu)化控制算法提供了更大的靈活性，以最大效率操作照明，從而最小化燈打開時(shí)的功耗。

在商業(yè)環(huán)境中轉(zhuǎn)向LED照明也正在改變照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，現(xiàn)在需要不同的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。這也與最新一代帶有LED驅(qū)動(dòng)器的微控制器以及PWM和定時(shí)器集成在一起，為處理辦公室中廣泛的照明系統(tǒng)提供了靈活的平臺(tái)。高端的一些微控制器也集成了LCD和觸摸屏控制器，還通過觸摸板和屏幕提供本地控制。

研究人員正在研究不同類型的商業(yè)照明，從LED到模擬天空的全面板，這些也需要復(fù)雜的控制電路。位于斯圖加特的弗勞恩霍夫工業(yè)工程研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列34，560個(gè)LED，占地34平方米，模擬了天空。

發(fā)光天花板由50厘米×50厘米的瓷磚組成，每塊瓷磚有288個(gè)LED。然后將漫射膜連接在LED下方大約30厘米處，以確保不會(huì)感覺到各個(gè)光點(diǎn)產(chǎn)生照亮整個(gè)房間的均勻照明。在全功率下，“天空”亮起的強(qiáng)度超過3，000勒克斯，但500至1，000勒克斯足以創(chuàng)造舒適的照明水平。

圖1：德國(guó)弗勞恩霍夫研究所研究人員開發(fā)的“天空”天花板照明系統(tǒng)。

開發(fā)虛擬天空的主要焦點(diǎn)是在陰天模擬自然光照條件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員仔細(xì)研究了自然光，以了解當(dāng)云在天空中移動(dòng)時(shí)光譜如何以及如何快速地變化。 LED允許團(tuán)隊(duì)以肉眼不直接的方式模擬照明中的這些動(dòng)態(tài)變化。否則，照明可能會(huì)分散人們的注意力。

初步研究結(jié)果表明，用戶發(fā)現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)照明非常令人愉悅。該研究涉及10名志愿者，他們?cè)谶@些照明條件下進(jìn)行了為期4天的日常工作，照明表面為30厘米×60厘米。在整個(gè)第一天，照明保持靜止。在第二天，它輕微波動(dòng)，并在第三天波動(dòng)迅速。在第四天，參與者可以選擇他們想要的照明類型，80％的人選擇快速，動(dòng)態(tài)的照明。

這些開發(fā)需要更復(fù)雜的控制器。在商業(yè)環(huán)境中運(yùn)行意味著溫度和封裝要求比工業(yè)設(shè)計(jì)要求低，允許考慮更廣泛的微控制器。

德州儀器（TI）的LM3S1P51 Stellaris處理器針對(duì)具有脈沖寬度調(diào)制（PWM）外設(shè)和32位ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核的照明控制進(jìn)行了優(yōu)化。 Cortex-M3處理器基于高性能處理器內(nèi)核，采用3級(jí)流水線Harvard架構(gòu)，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇。該處理器具有高效的指令集和廣泛優(yōu)化的設(shè)計(jì)，提供高端處理硬件，包括一系列單周期和SIMD乘法和乘法累加功能，飽和算術(shù)和專用硬件劃分。

圖2：德州儀器（TI）的Stellaris LM3S1P51內(nèi)核，帶有照明控制PWM模塊。

對(duì)于成本敏感的商業(yè)設(shè)計(jì)，Cortex-M3處理器實(shí)現(xiàn)緊密耦合的系統(tǒng)組件，可減少處理器面積，同時(shí)顯著改善中斷處理和系統(tǒng)調(diào)試功能。 Cortex-M3處理器實(shí)現(xiàn)了基于Thumb-2技術(shù)的Thumb指令集版本，確保了高代碼密度和降低的程序存儲(chǔ)器要求，從而提供具有8位和16位高代碼密度的32位架構(gòu)的性能位微控制器。

Cortex-M3處理器緊密集成了嵌套中斷控制器（NVIC）和不可屏蔽中斷（NMI）以及8個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。處理器內(nèi)核與NVIC的緊密集成提供了中斷服務(wù)程序（ISR）的快速執(zhí)行，大大減少了中斷延遲并允許實(shí)時(shí)控制照明系統(tǒng)。

寄存器的硬件堆棧以及暫停加載多次和存儲(chǔ)多次操作的能力進(jìn)一步減少了中斷延遲。中斷處理程序不需要任何匯編程序存根，從ISR中刪除代碼開銷。尾鏈優(yōu)化還可以顯著降低從一個(gè)ISR切換到另一個(gè)ISR時(shí)的開銷。為了優(yōu)化低功耗設(shè)計(jì)，NVIC集成了睡眠模式，包括深度睡眠模式，可以使整個(gè)設(shè)備快速斷電。

LM3S1P51微控制器提供集成在器件中的運(yùn)動(dòng)控制功能，包括用于照明控制應(yīng)用的六個(gè)高級(jí)PWM輸出，四個(gè)用于促進(jìn)低延遲關(guān)斷的故障輸入和兩個(gè)正交編碼器輸入（QEI）。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種用于對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的強(qiáng)大技術(shù)。高分辨率計(jì)數(shù)器用于產(chǎn)生方波，并且方波的占空比被調(diào)制以編碼模擬信號(hào)。 LM3S1P51 PWM模塊由三個(gè)PWM發(fā)生器模塊和一個(gè)控制模塊組成。每個(gè)PWM發(fā)生器模塊包含一個(gè)定時(shí)器（16位向下或向上/向下計(jì)數(shù)器），兩個(gè)比較器，一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器，一個(gè)死區(qū)發(fā)生器和一個(gè)中斷/ADC觸發(fā)選擇器。

每個(gè)PWM發(fā)生器模塊產(chǎn)生兩個(gè)PWM信號(hào)，可以是獨(dú)立信號(hào)，也可以是插入死區(qū)延遲的單對(duì)互補(bǔ)信號(hào)，包括四個(gè)故障條件處理輸入，可快速提供低延遲關(guān)機(jī)并防止損壞鎮(zhèn)流器。還有一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和兩個(gè)PWM比較器，它們可以在匹配時(shí)同步產(chǎn)生輸出信號(hào)，還有一個(gè)PWM信號(hào)發(fā)生器，其中輸出信號(hào)是根據(jù)計(jì)數(shù)器和PWM比較器的結(jié)果構(gòu)建的輸出信號(hào)。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）旗下也有一系列采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，適用于商業(yè)照明應(yīng)用。 STM32F100xx工作頻率為24 MHz，集成了高速嵌入式存儲(chǔ)器（高達(dá)128 KB的閃存和高達(dá)8 KB的SRAM），以及連接到兩個(gè)APB總線的各種外設(shè)和I/O.所有器件均提供標(biāo)準(zhǔn)通信接口（最多兩條I2C線，兩條SPI，一條HDMI CEC，最多三條USART），一個(gè)12位ADC，兩個(gè)12位DAC，多達(dá)六個(gè)通用16位定時(shí)器，以及高級(jí)控制PWM定時(shí)器。

高級(jí)控制定時(shí)器（TIM1）可視為在六個(gè)通道上復(fù)用的三相PWM。它具有互補(bǔ)的PWM輸出，可編程插入死區(qū)時(shí)間，也可視為完整的通用定時(shí)器。這四個(gè)獨(dú)立通道可用于輸入捕獲，輸出比較，邊緣或中心對(duì)齊模式下的PWM生成以及單脈沖輸出模式。當(dāng)配置為16位PWM發(fā)生器時(shí)，它具有0到100％的完全調(diào)制能力。

如果需要低功耗控制器，可能使用電池供電，那么Energy Micro已將其EFM32G222F128 Gecko 32位控制器用于此類應(yīng)用。如果實(shí)施各種各樣的控制器，例如在“天空般的”天花板中有大量的瓷磚，低功率就成了問題。

圖3：具有PWM功能的Energy Micro的Gecko ARM Cortex-M3處理器。

EFM32G222F128使用運(yùn)行速度高達(dá)32MHz的32位ARM Cortex-M3 CPU，內(nèi)存保護(hù)單元，喚醒中斷控制器和靈活的能量管理系統(tǒng)來關(guān)閉非外圍設(shè)備在使用中以節(jié)省電力。它包括三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和三個(gè)3通道比較/捕獲/PWM通道以及三個(gè)8位脈沖計(jì)數(shù)器。

這些設(shè)備提供了控制照明系統(tǒng)的所有附加電路，從溫度傳感器到掉電控制的輸入，再到其他傳感器的輸入范圍，可用于商業(yè)照明的日光采集方案系統(tǒng)。

在更高端，ARM M4內(nèi)核增加了數(shù)字信號(hào)處理功能，可用于額外的算法處理和一些處理器，如飛思卡爾半導(dǎo)體的Kinetis K30系列，以及用于控制LCD屏幕作為本地控制系統(tǒng)一部分的LCD接口。 MK30DN512ZVLL10提供高達(dá)100 MHz的性能，最高512 KB的程序閃存和高達(dá)128 KB的RAM以及16通道DMA控制器，最多支持64個(gè)請(qǐng)求源。它支持兩個(gè)16位SAR ADC，每個(gè)ADC都帶有一個(gè)集成的可編程增益放大器，用于連接外部傳感器和12位DAC。該器件還集成了三個(gè)模擬比較器（CMP），包含一個(gè)6位DAC和可編程參考輸入，以及一個(gè)可編程延遲模塊和一個(gè)八通道PWM定時(shí)器，可用于控制照明系統(tǒng)。它還包括一個(gè)觸摸傳感器和LCD驅(qū)動(dòng)程序，用于管理單個(gè)設(shè)備的本地控制面板。

圖4：飛思卡爾K30提供PWM和LCD和觸摸控制器。

但是除了32位處理器之外還有更多選擇。

Atmel的AT90PWM1-16SU是一款高性能，低功耗8位微控制器，采用該公司的高級(jí)RISC架構(gòu)（AVR）。它有131條指令，大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，閃存和外設(shè)專門針對(duì)照明控制。

兩個(gè)12位高速PSC（功率級(jí)控制器）具有4位分辨率增強(qiáng)功能，可為熒光燈的燈鎮(zhèn)流器提供波形生成。非重疊反向PWM輸出具有靈活的死區(qū)時(shí)間和可變的PWM占空比和頻率，可以生成最有效的控制信號(hào)。還有一個(gè)8位通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和捕捉模式，以及一個(gè)16位版本，以簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)。

控制器還可用于通過電容式觸摸界面將燈的直接控制與人機(jī)界面相結(jié)合，從而減少材料清單和控制節(jié)點(diǎn)的成本。然而，這在由用戶而不是廣域網(wǎng)直接控制的獨(dú)立單元中更頻繁地使用，因此對(duì)于日光采集系統(tǒng)不太有用。

除了處理通信的微控制器外，還有許多機(jī)會(huì)可以為商業(yè)照明的日光采集系統(tǒng)的控制和實(shí)施提供額外的價(jià)值。通過集成脈沖寬度調(diào)制模塊，用于連接傳感器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及顯示器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高速接口，設(shè)計(jì)人員可以通過最少的材料清單提供經(jīng)濟(jì)高效的實(shí)施方案。為照明系統(tǒng)提供這種控制使商業(yè)建筑運(yùn)營(yíng)商能夠顯著降低設(shè)施的功耗和運(yùn)行成本。