近年來，隨著全球節能減碳帶動，發光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業應用已愈加明顯。由于此類照明往往會依據建筑物外觀與不同商業訴求而設計，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(B)三色LED所構成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對不同照明體形狀進行串接，構成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結構具備不妨礙視線、結構輕、易于組裝與運送等優點，因此日益普及應用于租賃市場、舞臺、建筑物領域。
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計的兩難。因為當照明的建筑體外觀范圍擴大，以及照明體設計復雜度提高時，為達較佳的照明效果，就必須搭配較多數量的RGB Cluster與LED驅動器等的組件串接，此不但會影響信號傳輸速度，且當多顆RGB Cluster串接時，如何正確的傳送數據，乃是RGB LED應用于建筑物照明所須考慮的問題。
傳輸技術瓶頸待突破
目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數據兩個信號線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號線(圖1)來連接到每個驅動器，但三線或四線傳輸架構會增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數將導致傳輸可靠性與穩定性下降，不但無法滿足長距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對的缺點為需要較復雜的電路與電路成本達到所要求的傳輸穩定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內，串接顆數與傳輸距離也有限制。因此，就商業照明應用而言，傳輸信號的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴性等不同要求的權衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時兼顧傳輸效能與質量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。
圖1 傳統四線傳輸示意圖
近年來，隨著全球節能減碳帶動，發光二極管(LED)作為建筑物外觀照明、裝飾照明、情境照明等商業應用已愈加明顯。由于此類照明往往會依據建筑物外觀與不同商業訴求而設計，多采用由紅(R)、綠(G)、藍(B)三色LED所構成的像素叢集(Cluster)作為照明單位，以制造多樣性的光影變化效果，并對不同照明體形狀進行串接，構成LED窗簾幕、條狀屏幕等。這些照明結構具備不妨礙視線、結構輕、易于組裝與運送等優點，因此日益普及應用于租賃市場、舞臺、建筑物領域。
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計的兩難。因為當照明的建筑體外觀范圍擴大，以及照明體設計復雜度提高時，為達較佳的照明效果，就必須搭配較多數量的RGB Cluster與LED驅動器等的組件串接，此不但會影響信號傳輸速度，且當多顆RGB Cluster串接時，如何正確的傳送數據，乃是RGB LED應用于建筑物照明所須考慮的問題。
傳輸技術瓶頸待突破
目前，采用RGB Cluster串接的傳輸架構多采用三線或四線傳輸，即除了頻率(Clock)及數據兩個信號線之外，尚須控制栓鎖(Latch)及(或)灰階頻率(GCLK)信號線(圖1)來連接到每個驅動器，但三線或四線傳輸架構會增加防水線材與接口消耗，且更多的接口數將導致傳輸可靠性與穩定性下降，不但無法滿足長距離傳輸需求，反而限制RGB Cluster像素的廣泛應用。至于單線傳輸，除了傳輸線材成本較少，但相對的缺點為需要較復雜的電路與電路成本達到所要求的傳輸穩定性，且傳輸頻率受限在一定的范圍之內，串接顆數與傳輸距離也有限制。因此，就商業照明應用而言，傳輸信號的選擇即是一連串傳輸效能、傳輸距離、成本、線材、空間、信賴性等不同要求的權衡與取舍(表1)。如何在成本控制得宜下采用較少線材，同時兼顧傳輸效能與質量，即是目前RGB LED作為建筑物照明必須突破的方向。
圖1 傳統四線傳輸示意圖
二線傳輸提高信賴/穩定性
如果舍棄栓鎖信號線，以二線方式傳輸則可以利用頻率與數據信號來完成數據栓鎖(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顆數可達三百顆以上的水平，成本與信賴性也較佳(表1)。
但是二線傳輸若以頻率的高位準狀態區間內的數據個數當做封包的起始和結束命令，則頻率與數據每經過一級驅動器，輸入與輸出存在著傳輸延遲，若串接多級Cluster及長距離傳輸將不易控制結束命令，且頻率經過多級傳輸會改變脈寬。因此針對二線傳輸協議，本文將提出智能型傳輸技術方案，進一步解決上述問題。
圖2 二線傳輸示意圖
表1 不同傳輸模式優劣比較表
自動尋址/栓鎖角色吃重
所謂智能型傳輸技術主要包括數據傳輸時的自動尋址(Auto-addressing)與自動栓鎖(Auto-latch)，以及脈寬波度的反相位(Clock-Inversed)等，透過上述方式來提高串行數據傳輸的信賴性與穩定性。一個完整的數據封包架構如圖3所示，包括前置時間(Prefix)、檔頭(Header)及數據，控制器僅須于檔頭區段設定數據類型的命令(Header)、地址(Address)、串接驅動器數目(Length)及檢查碼(Parity Check)(圖4)。
圖3 資料封包架構示意圖
圖4 檔頭架構示意圖
封包每經過一級，檔頭的內容運算后傳遞至下一級。傳遞的過程中，文件頭內的地址隨著經過的驅動器數目遞增，以作為下一顆驅動器尋址之用。每一顆串接驅動器內部則自動尋址，此自動尋址方式可將數據正確地寫入驅動器，文件頭內的串接數目不隨經過的驅動器個數改變，但驅動器內部緩存器會存放串接數目與地址做邏輯運算后的參數。當文件頭的地址與此參數一致時，代表封包已傳遞至串接路徑中的最后一顆驅動器，最后一顆驅動器的影像數據到位后，即會觸發自動栓鎖的功能。驅動器的串接數目是以串接的驅動器顆數以遞減的方式填寫。而地址與串接數目無關，填0(10b''0000000000)(圖5)。當傳輸的條件惡劣時，檢查碼即可查看文件頭數據的正確性，避免誤寫以取得更可靠的傳輸質量。
圖5 地址累計加總示意圖
脈寬頻率反相確保傳輸穩定
在傳輸的過程中，因傳輸距離以及串接多級組件的關系，產生信號之失真與寬度改變，無法維持50%的工作周期(Duty Cycle)，如此信號寬度改變重復累積之下，最后的信號脈寬將無法正確的驅動組件。其中脈寬之維持在于每一級傳輸單元輸入脈波信號之脈波寬度，以及輸出相等的脈波信號至下一級傳輸單元，如此可避免信號寬度改變。主要的脈寬改變原因之一為頻率信號中的正緣延遲(由低位準轉變為高位準之時間)與負緣延遲(由高位準轉變為低位準之時間)不一致所造成。若負緣延遲時間較長，亦即由高位準轉變為低位準之速度較慢；相對的正緣延遲時間較短，由低位準轉變為高位準之速度較快，則經過多級傳輸單元后，正脈波寬度即會越來越寬(圖6)。頻率每經過一級驅動器會有傳輸延遲，且工作周期也會改變，如前述經過多級驅動器之后，工作周期無法保持50%，至第十級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 脈波工作周期實際波形量測
針對上述問題，常見的解決方式是將某一級傳輸單元所接收的頻率信號做反相(Phase-Inversed Output Clock)，再輸出此一反相頻率信號至下一級傳輸單元，此種情形之下，每經過一級傳輸單元，頻率信號反相，本級的低位準變為下一級的高位準、本級的高位準變為下一級的低位準，因此本級的正緣變為下一級的負緣、本級的負緣變為下一級的正緣。
盡管此時正緣延遲與負緣延遲不一致，但由于頻率信號正緣，相對于其后的負緣時間上產生時間變化，如圖8之t1所示，會在下一級頻率信號反相之后，使頻率信號正緣變成頻率信號之負緣，而相對于其后的正緣時間上產生t2的時間變化，在相同條件下t1與t2會相互抵消，故使得脈寬維持在原先的輸入脈波寬度，如圖9所示為十級串接且每一極輸出反相，如此可減少頻率信號每通過一級驅動器時產生的脈寬失真，確保頻率寬度可以通過多級驅動器而不縮小或增大，第十級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
隨著RGB LED應用多樣化，如何在精簡成本的考慮下，采用穩定可靠的傳輸技術，讓影像數據格式在傳輸過程中不因為外在環境變化而扭曲，就必須在傳輸頻率、級數及線材成本等之間作取舍。
由于傳輸距離越長，傳輸質量受到的影響即越嚴重，為解決此問題，本文提出二線傳輸模式并搭配智能型之數據自動尋址與自動栓鎖，以正確地傳送數據，并透過頻率信號波形反相，維持輸入頻率信號之脈波寬度與工作周期，透過上述方式，以確保傳輸系統的穩定性。