李嘉賢

摘 要： 在目前的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，光源與照明是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，不同照明方式都存在一定的缺陷特征。為了滿足圖像采集檢測精度要求，針對不同照明方式缺陷特征，設(shè)計光源圖像檢測控制電路。采用單片機(jī)開關(guān)電源芯片作為主控芯片，設(shè)計LED光源圖像檢測背光控制電路，由電壓轉(zhuǎn)換、恒流控制以及背光調(diào)整等電路部分組成，電路結(jié)構(gòu)簡潔，簡化電路設(shè)計。經(jīng)過測試，控制電路效率高，滿足圖像采集需求。

關(guān)鍵詞： 照明缺陷； 控制線路； 圖像采集； 照明系統(tǒng)

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0101?03

Design of image detection and control circuit for light?source illumination system according to illumination defect

LI Jiaxian

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Eastern Liaoning University， Dandong 118001， China）

Abstract： The light source and illumination in current machine vision application system are the keys of the whole system， but all the illumination modes exist certain defect characteristics. In order to meet the requirements of image acquisition and detection accuracy， the light?source image detection and control circuit was designed to deal with the defect characteristics of different illumination modes. The SCM switching power chip is taken as the main control chip to design the image detection backlight control circuit of LED light?source. The circuit is composed of voltage conversion， constant current control， backlight adjustment， and other circuits. The circuit structure is simply， and can simplify the circuit design. The test results show that the control circuit is efficient， and can meet the requirements of image acquisition.

Keywords： illumination defect； control circuit； image acquisition； illuminating system

0 引 言

自動光學(xué)檢測系統(tǒng)集圖像處理、數(shù)控精確定位為一體，受缺陷檢測系統(tǒng)中視野的影響，在系統(tǒng)檢測中要求多次采集圖像，實現(xiàn)精確控制；而且在不同照明條件下，特征也不一致；因此需要設(shè)計圖像控制電路，以便得到最好的圖像質(zhì)量。目前市場中存在多種背光控制電路，但是多需要直流電源供電，系統(tǒng)設(shè)計過于復(fù)雜，存在很大的能量消耗。本文基于照明缺陷，設(shè)計了高效LED控制電路，直接產(chǎn)生直流電壓。

1 LED光學(xué)原理

LED是指發(fā)光二極管，將電能轉(zhuǎn)化為光能，在工作中需要外加電源。外加電場作用下，伴隨不同光輻射，以較高能量輻射出200～1 550 nm可見光。不同材料和結(jié)構(gòu)LED發(fā)射光顏色不同。照明領(lǐng)域中，LED采用磷化鋁、磷化鎵等材料合金，發(fā)出的光主要為紅色、黃色，采用氮化鎵做合金材料，發(fā)出的光主要是白色、藍(lán)色以及綠色。

2 背光控制電路設(shè)計

MCU控制器選擇28引腳閃存單片機(jī)，時鐘頻率為16 MHz，整個系統(tǒng)控制流程為開始→初始化→讀取3D控制信號→3D標(biāo)志位→2DPWMI調(diào)光→2D保護(hù)（3D掃描方式調(diào)光）→關(guān)閉電源（3D保護(hù)）→（關(guān)閉電源），能夠?qū)崿F(xiàn)前段3D控制信號抓取。信號高時，進(jìn)入3D狀態(tài)，檢測同步上升沿背光燈條，打開背光，保證圖像與背光的同步進(jìn)行。信號低時，設(shè)計為2D模式，同步調(diào)整背光信號，實時監(jiān)控MCU燈條低壓端。

采用LD7523為主控制芯片，經(jīng)過必要整流后與開關(guān)變壓器整合，在外圍電路控制下轉(zhuǎn)換電壓。電路中電壓反饋、背光調(diào)整等環(huán)節(jié)都由分立元件組成，減少了元器件。恒流電路圖設(shè)計如圖1所示，檢測電路電壓，得到不同狀態(tài)下的電流，R3上的電壓較高時作為3D采樣參考電平，較低時作為2D電流采樣電平。限定R2上的電平和電流，設(shè)定LED電流。

在電流增大情況下，反相輸入端電平增高，三極管V1基極電平降低，減小LED電流。在電流減少的情況下，R2電壓變小，三極管V1基極電平升高，增大LED電流。如此循環(huán)，保持LED電流的穩(wěn)定性。

MCU供電電壓為3.3 V，2D狀態(tài)下，MCU芯片產(chǎn)生低電平狀態(tài)，在PWMIN增高時，輸出高阻態(tài)，串聯(lián)電阻R7產(chǎn)生分壓壓降，以R7上的電壓為恒流參考電平，LED恒流模式打開LED。PWMIN較低時，輸出低電平，相當(dāng)于接地，電阻R4接地，此時電阻R7無電壓壓降，恒流關(guān)閉LED，實現(xiàn)調(diào)光控制。在3D狀態(tài)下，IN信號為高電平，判斷輸出狀態(tài)，PWMIN高信號下，PWMI輸出VDD高電平，此時電阻R4串聯(lián)兩個電平，無電流，R7產(chǎn)生較高壓降，自恒流模塊中R3輸入端得不到電壓，實現(xiàn)3D狀態(tài)下調(diào)光控制。

在反饋部分電路設(shè)計中，保護(hù)電路通過外圍R10和R11之間壓差實現(xiàn)，如圖2所示，在燈條短路等異常情況下，R10，R11分壓值為0，I/O端能夠檢測出電壓異常，進(jìn)而將異常電壓信號發(fā)出，關(guān)閉電源保護(hù)電路。如果同時出現(xiàn)正負(fù)短路情況，設(shè)計中設(shè)定為電壓值升高，因此同樣能夠檢測出信號進(jìn)而關(guān)閉電源。采用MCU反饋設(shè)計電路，能夠檢測R10，R11電壓，得出比較小的一路，設(shè)計設(shè)定值。小于設(shè)定值時，調(diào)整MCU占空比，得出電壓較小的值，如果檢測值高于正常時，則調(diào)高M(jìn)CU占空比，實現(xiàn)反饋。

整個電源與控制系統(tǒng)由濾波電路、校正電路和控制驅(qū)動部分等組成，如圖3所示，AC100是市電輸入信號，將信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚪邮盏闹绷餍盘?，PFC模塊提高功率因數(shù)，提高功率。拓?fù)淠K能夠為伴音提供16 V供電。PFC電路采用軟開關(guān)技術(shù)，電源效率大大提高，不存在EMI問題，提供了穩(wěn)定電壓。控制電路直接驅(qū)動燈串，能夠檢測反饋情況，及時調(diào)整電流，并參與部分故障監(jiān)測。

開關(guān)電源本身存在電磁干擾，開關(guān)電路包括MOS管、變壓器等，MOS工作中漏極和源級電壓會出現(xiàn)較大變化，產(chǎn)生輻射干擾。開關(guān)電路在MOS導(dǎo)通時，變壓器電流存在磁化沖擊電流瞬變脈沖，MOS管斷開時，電壓尖刺很大，形成尖峰衰減震蕩，產(chǎn)生電磁干擾。整流電路中次級電路采用二極管，雖然消耗小，但是容易出現(xiàn)電磁干擾。開關(guān)電路MOS有較大電流時，會引起發(fā)熱問題，在高頻情況下出現(xiàn)特性，另外開關(guān)電源高頻工作時，變壓器線圈間產(chǎn)生電容，引起干擾。30 MHz以下頻率為主要傳導(dǎo)干擾，在實際工作中，元器件一般都存在雜散參數(shù)，在高頻工作狀態(tài)下，元器件的本身特性更加明顯，嚴(yán)重影響耦合等效電路，出現(xiàn)較大干擾。

針對電源板自身存在的問題，需要設(shè)計電磁兼容性。采用軟開關(guān)技術(shù)減少開關(guān)電源本身的干擾，電壓為零時，實現(xiàn)ZVS，電流為零時，關(guān)閉MOS，減少開關(guān)損耗。采用調(diào)制開關(guān)頻率技術(shù)，電源工作中各個設(shè)備都存在自己的固定頻率，在底噪比較高時，調(diào)試芯片開關(guān)頻率降低，轉(zhuǎn)移其他頻率段EMI能量，實現(xiàn)各個頻率段的調(diào)節(jié)，不危害電網(wǎng)設(shè)備安全。采用濾波處理掉不想要的高頻傳導(dǎo)信號，抑制150 kHz～30 MHz頻率，允許市電通過，調(diào)整電感和電容值，消減頻率段EMI。在抗干擾設(shè)計中同時采用PCB抗干擾設(shè)計，降低電路板內(nèi)部的干擾，在開關(guān)電源設(shè)計中，根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定端口時，根據(jù)電源模塊之間位置，整體布局電路板，注意布線走線，根據(jù)布線關(guān)系，盡量縮短長度，避免影響高頻信號，并減少芯片與電解地距離，提高供電安全性。選擇噪聲較小的器件，將連接漏極變壓器纏繞在最里層，減少輻射值。

在安全性設(shè)計中，電路系統(tǒng)安全性是重要指標(biāo)之一。漏電流存在很大安全隱患，依照國家相關(guān)規(guī)定，Y電容容值設(shè)計在2 200 pF以下，并采用聚酯膜電容材料，保證在瞬態(tài)尖峰擊穿失去濾波效果。設(shè)計防潮、防煙霧等設(shè)計，并進(jìn)行焊接、調(diào)試和驗證?？紤]到交流信號進(jìn)入到電源板后，保險絲是第一個元器件，很容易受到惡劣環(huán)境影響，因此將反激電路作為第一個開關(guān)電源，具有過功率保護(hù)功能。

3 電路測試

可靠性測試包括浪涌測試、降額測試和安全測試等。浪涌測試，在雷電天氣下，電網(wǎng)容易混進(jìn)高壓脈沖，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要對設(shè)計電路進(jìn)行浪涌測試，測試條件和結(jié)果如表1所示。

降額測試讓元器件在低于設(shè)定額度值條件下工作，測試電源板，電源驅(qū)動板相關(guān)功率器件共組狀況正常，滿足電降額要求。對電源板二極管、燈條端子等進(jìn)行安全測試，故障后能夠進(jìn)入到保護(hù)狀態(tài)。

電磁干擾測試，包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。將電源樣機(jī)放入MFC暗室進(jìn)行傳導(dǎo)干擾測試，依照國家標(biāo)準(zhǔn)要求天線與機(jī)器距離，進(jìn)行水平方向測試，傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果如圖4所示，傳導(dǎo)干擾值很小。

4 結(jié) 語

本文涉及LED光源控制電路，克服了原有技術(shù)中存在功能少、控制效果不佳的缺點，轉(zhuǎn)換效率更高，設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單、效果好，能夠靈活調(diào)整光源，為圖像采集提供更加理想的選擇，在驅(qū)動應(yīng)用中，調(diào)光、保護(hù)等操作能夠根據(jù)襲擊需求進(jìn)行改進(jìn)，避免了每次都需要更改硬件電路的麻煩，同時能夠自行設(shè)計觸發(fā)時間，有效避免干擾。

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