基于LED太阳模拟器的光谱调试方法
2017-02-24
本文摘要:为提高LED太阳模拟器光谱调试的效率,文中采用专门设计的计算机调试软件设置每路LED的电流值,将参数通过CAN总线传递到控制每路LED的恒流驱动电路中,达到LED输出电流的精确控制;多种不同颜色的LED发出的光经匀光系统充分混合,实现光谱的调试。实验结果表明:利用调试软件和CAN总线的光谱调试方案直观、方便、精确。光谱匹配结果达到±10%以内。
 
  摘要:为提高LED太阳模拟器光谱调试的效率,文中采用专门设计的计算机调试软件设置每路LED的电流值,将参数通过CAN总线传递到控制每路LED的恒流驱动电路中,达到LED输出电流的精确控制;多种不同颜色的LED发出的光经匀光系统充分混合,实现光谱的调试。实验结果表明:利用调试软件和CAN总线的光谱调试方案直观、方便、精确。光谱匹配结果达到±10%以内。
 
  关键词:LED;CAN总线;匀光系统;光谱匹配
 
  1引言
 
  目前主流太阳模拟器光源采用氙灯为主,其光谱最接近日光,优势为单灯的光通量大,且光谱与太阳光谱分布接近,但其控光电路复杂,消耗能量高,且氙灯寿命短,长脉冲测试难度大,定期更换导致维护成本高等。另红外部分相对较强,需配备滤光片滤掉。而LED发展迅速,如寿命长(可达十万小时)、能耗低、维护成本低,且节能省电;使用LED较氙灯还有很多优势,尤其在脉冲式太阳光模拟器的应用上,LED太阳模拟器控光电路简单,能耗低,可实现更长脉冲测试,使测量更加准确。
 
  本文基于以太网-CAN总线结合的方案,使用现有的以太网-CAN转换器,即从上位机到光控系统前采用以太网,在光控系统中的各个底端节点采用CAN总线。此方案应用到LED太阳模拟器的光控系统,可精确控制每路LED输出电流,确保稳定的光输出,进而实现光谱的可调试,光谱匹配满足要求。
 
  2以太网和CAN总线介绍
 
  2.1以太网介绍
 
  目前传统的以太网直接进入工业控制领域存在一些问题,主要是因为以太网是为办公自动化设计的,并没有考虑到工业应用的要求[1]。首先以太网的媒体访问方式CSDA/CD不能保证网络传输的确定性,满足不了实时性;其次以太网所用的接插件、集线器、交换机和传输介质等设备不能满足复杂工业现场的要求;再次,以太网还不具备通过信号线向现场仪表供电的性能。但网络技术的发展,以太网直接应用到工业现场设备间通信提供了技术可能。
 
  2.2CAN总线介绍
 
  CAN(ControllerAreaNetwork)总线是德国Bosh公司开发的一种有效的支持分布式实时控制的串行通信网络数据通信协议,主要作为汽车车载网络得到广泛应用。其属于现场总显得范畴,是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可高达1Mbps,在低速条件下最大传输距离可达到10km。CAN总线有以下特点:多主站依据优先权进行总线访问;采用无破坏性的基于优先权的仲裁;借助接收滤波的多地址帧传送;远程数据请求;配置灵活性;全系统相容性;错误检测和出错信令[2,3]。
 
  3LED太阳模拟器系统组成
 
  3.1光控系统
 
  本文采用的光控系统基于LED太阳模拟器设备,包括供电电源、LED光源模块、计算机、和主控模块。其中主控模块又包括了单片机,恒流驱动电路模块(A、B、C、D),每个驱动电路模块包含了相同数量的驱动电路,控制对应的LED电路(A-Ⅰ、B-Ⅱ、C-Ⅲ、D-Ⅳ)。LED光源模块由四个光源小模块阵列(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)组成。如图1所示。

图1LED太阳模拟器光控系统原理图
 
  3.1.1单片机选择
 
  选用STC12C5A32S2单片机,是高速/低耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,其运行速度比普通8051快12倍,1个机器周期即为1个时钟周期。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(25万次/秒),针对电机控制,强干扰场合。片内集成了32K容量的程序存储器ROM、1280字节的RAM、28K容量的EEPROM等资源满足电路系统的使用要求。
 
  3.1.2LED恒流驱动电路
 
  本文设计方案中,由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高,驱动电路采用压控恒流源。电路中调整管采用的电路原理图如图2所示。该恒流源电路由运算放大器、大功率场效应管Q1、采样电阻R9、限流电阻R10,负载LED,控制电压VREF,总开关PW组成。
 
  采用场效应管,更易于实现电压线性控制电流,既能满足输出电流最大达到1.25A的要求,也能较好地实现电压近似线性地控制电流。当场效应管工作于饱和区时,漏电流Id近似为电压Ugs控制的电流。即当Ud为常数时,满足:Id=f(Ugs),只要Ugs不变,Id就不变。在此电路中,R9为取样电阻,阻值为2欧姆。运放作为电压跟随器,VREF=Up=Un,场效应管Id=Is(栅极电流相对很小,可忽略不计)所以Io=Is=Un/R9=VREF/R9。Iomax=2.5/2=1.25A,因为Io=VREF/R9,电路输入电压UI控制电流Io,即Io不随LED的变化而变化,从而实现压控恒流。
  图2LED驱动电路原理图
 
  3.2匀光系统
 
  因LED具有较大的发散角,直接照射待测对象难以实现光线均匀分布,故采用反射箱体结构作为匀光系统,可实现约束LED光源模块中大角度的光线在反射箱体内向底部反射,从而使LED发射出的光线充分在反射箱体的高反射内壁多次反射至达到光线充分混合,到达出光口时混光均匀。
 
  3.3以太网-CAN转换装置
 
  本文采用以太网与CAN总线结合的方案,使用现有的以太网-CAN转换器可实现CAN总线数据和Ethernet数据相互传输的功能,其内部集成了2路符合ISO11898标准的CAN总线接口和1路10/100M自适应以太网接口,并自带TCP/IP或者UDP协议栈,用户可以轻松完成CAN总线网络和Ethernet网络的互连互通,建立以太网-CAN两层网络架构,实现远程控制,大大扩展CAN总线网络的应用范围。
 
  4调试软件
 
  本文光谱调试使用一款调试软件,可自动识别IP地址和网络端口,方便与以太网-CAN转换器的连接,其中软件里可以设置不同辐照度(200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2、1200W/m2)下的每路LED的电流值,确保调试过程的直观、方便、精确。如图2所示。软件菜单数据处理栏中,可直接保存至表格中,且也可直接调用调试好的参数。
 

图2调试软件界面
 
  5光谱调试及实验结果
 
  通过计算机设置不同辐照度下的每路LED电流的大小,首先任意选中一种辐照度下的LED电流参数经以太网-CAN转换器直接传递到主控模块中的STC12C5A32S2单片机中,其次因电路模块(A、B、C、D)与LED光源模块(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)一一对应,使得单片机控制的每个恒流驱动电路的电流,可直接对应到每路LED光源。
 
  调试过程中,需使用光谱仪实时监控,每路LED电流的输出大小直接决定其自身的亮度,经调节每路的电流,直至满足(IEC60904-9-2007)国际标准,即光谱匹配度<±25%。又LED太阳模拟器其光谱是可以直接调试的,本文光谱调试结果可远高于国际标准两倍以上,即<±10%。并保存所有的参数至表格中。如图3所示。

图3光谱匹配结果
 
  6结论
 
  本文涉及LED太阳模拟器的光谱调试方法,采用以太网与CAN总线结合的方案,并使用调试软件设置不同辐照度下的每路LED的电流值,可实现不同辐照度下的光谱匹配,其中在1000W/m2辐照度下的光谱匹配度调试结果远优于国际标准。
 
作者单位: 陕西众森电能科技有限公司  赵孟钢 王炜 刘佳 朱峰
 
  参考文献
 
  [1]邵佩玲,王家鼎,申鸣.基于以太网-CAN总线的LED灯控制系统的设计[D].上海大学,2006.
 
  [2]隋越,丘友全,张新池.基于CAN总线的LED隧道灯控制系统设计[J].仪器仪表用户,2010,17(2):31-32.
 
  [3]孔祥春,陈晓阳.基于CAN总线的LED智能控制系统在隧道照明中的应用研究[J].公路交通技术,2014(4):132-134.
论文
技术•智库
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