采用LED模擬調光的機器視覺(jué)辨認系統電路設計指南

　　由于發(fā)光二級管技術(shù)的不斷發(fā)展，正逐步地應用于信號、顯示、照明和機器視覺(jué)辨認等各種領(lǐng)域。而常用的LED 亮度控制方式主要是模擬調光和數字調光（ PWM）。比起現有的模擬調光，數字調光能取得一個(gè)更高的調光比和電流精度，應用更為廣泛。在普通照明中，PWM 調光的開(kāi)關(guān)頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見(jiàn)的閃爍。但在機器視覺(jué)辨認和工業(yè)檢驗等領(lǐng)域，由于使用的高速攝像機和傳感器響應速度速度比人眼快很多，因此在這些領(lǐng)域使用PWM調光必須增加開(kāi)關(guān)頻率到幾十千甚至更高，實(shí)現較為復雜，而模擬調光卻沒(méi)有這方面的問(wèn)題。本文通過(guò)可變降壓和線(xiàn)性調光的兩級電路實(shí)現了高效、準確、高動(dòng)態(tài)范圍的模擬調光輸出，并使用TI 的C2430芯片來(lái)實(shí)現輸出亮度調節和無(wú)線(xiàn)控制的功能，特別適合用于上述的機器視覺(jué)辨認等高響應速率的應用場(chǎng)合。

　　高動(dòng)態(tài)范圍模擬調光電路

　　常見(jiàn)的LED 恒流電路有以下兩種：線(xiàn)性恒流電路和開(kāi)關(guān)恒流電路。線(xiàn)性恒流電路通過(guò)監控采樣電阻上的電壓，動(dòng)態(tài)地調節三極管的導通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED 串電壓的部分承擔。而開(kāi)關(guān)恒流電路則在其不同拓撲結構下，調節開(kāi)關(guān)導通的占空比來(lái)調節輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時(shí)，在大電流下線(xiàn)性電路三極管的壓降會(huì )造成較大的功率損耗，導致較低的效率。

　　具體電路設計

　　現有的開(kāi)關(guān)電源控制芯片也有提供模擬調光功能，但是調光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM 調光的一個(gè)補充，這個(gè)調光比和前述機器視覺(jué)辨認的要求差距較大。針對上述情況，本文重新對線(xiàn)性恒流電路進(jìn)行了改進(jìn)，在這部分電路前增加了可變降壓電路， 用于匹配輸入電壓和LED 燈串電壓，提高效率; 同時(shí)使用高精度的D /A 來(lái)控制電流輸出，得到一個(gè)較高的模擬調光比。整個(gè)電路系統結構如圖3，在A(yíng)C /DC 電源的輸出總線(xiàn)上可以?huà)燧d多于一路的可調恒流電路，通過(guò)ZigBee 模塊進(jìn)行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準確，可調。

　　電路分析：可變降壓電路的輸入使用AC /DC 電源提供的48V 總線(xiàn)，這部分電路根據后接的LED 顆數多少和輸出電流大小， 動(dòng)態(tài)調節輸出， 使其輸出電壓和LED 燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里使用LM5010 降壓芯片來(lái)搭建可變降壓電路，LM5010 是一個(gè)恒定導通時(shí)間的Buck 控制芯片。R1 和R2 組成電壓反饋電路，將輸出電壓進(jìn)行分壓后輸入至FB 腳上。每當FB 腳上電壓低于2. 5V 時(shí)，芯片內部的開(kāi)關(guān)會(huì )固定的導通一段時(shí)間，導通時(shí)間與輸入電壓和Ron有關(guān)， 之后開(kāi)關(guān)會(huì )關(guān)斷265ns 或直至FB 腳上電壓下降到2. 5V 以下。電路通過(guò)（R1 + R2） /R2·VFB來(lái)設定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時(shí)監測采集三極管和采樣電阻的壓降和， 并使用LM358 進(jìn)行正向放大后通過(guò)D2 輸入到FB 腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會(huì )大于Vdrop = （ VFB + VD2） × R3 / （ R3 + R4）。因此當LED燈串上的電壓小于LM5010 的最大輸出電壓時(shí)，多余的電壓就會(huì )由三極管和采樣電阻承擔，當這個(gè)電壓經(jīng)過(guò)放大后大于FB 腳的閾值時(shí)，LM5010延長(cháng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout =Vled + Vdrop。從而在LED 顆數比設計值少或者在對LED 進(jìn)行調光時(shí)，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。

　　圖4 中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路。電流主要是通過(guò)AnalogDevice 的AD5611 來(lái)控制，這是一款10 位的數模轉換芯片，使用基準電源的輸出直接供電，上位機CC2430 可以使用SPI 接口進(jìn)行輸出電壓的編程。芯片的輸出和采樣電阻上的電壓分別接到LM358 的5和6 腳，運放作為開(kāi)環(huán)放大器來(lái)使用。放大器將兩個(gè)輸入的偏差進(jìn)行放大來(lái)控制三極管導通程度，進(jìn)而控制LED 串的電流，并最終使開(kāi)環(huán)輸入的兩個(gè)電壓相等，此時(shí)滿(mǎn)足下式： Rsen × ILED = VA /D·R6 / （ R5+ R6）。電路中的R5 和R6 主要是將A /D 轉換器的輸出電壓進(jìn)行分壓，以便能使用更小的采樣電阻，提高效率?？紤]到D /A 芯片的位數和整體的精度，本文中的線(xiàn)性電流控制電路能做到500 ∶ 1 的輸出電流比。

　　針對LED 應用于機器視覺(jué)辨認等特殊場(chǎng)合，提出了一種基于ZibBee 控制的高動(dòng)態(tài)范圍LED 模擬調光裝置，一種異于高頻PWM 的調光方法。設計通過(guò)對原有線(xiàn)性電源的改進(jìn)，增加了可變降壓電路，提高了其工作效率。電路中同時(shí)使用了CC2430 芯片實(shí)現電流控制和無(wú)線(xiàn)遙控的功能，配合著(zhù)ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)便可實(shí)現遠程調光控制。