一種智能LED助航燈的設計

張玉杰 劉 蘊

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

目前，機場助航燈光的光源大部分采用白熾燈和鹵鎢燈，存在壽命短、易損壞、功耗大、效率低等缺點。機場助航燈光回路采用串聯高壓供電方式，調光器電路復雜、故障率高，一旦出現故障，整個回路均無法工作。大功率LED照明應用于助航燈還存在因LED過熱引起的LED擊穿、失效、光衰、色衰等問題以及可靠性低、光輸出穩定差的技術缺陷。由于助航燈高度分散，出現故障后無法及時發現和維修，需要人員現場巡查才能發現和排除故障［1］。

針對以上問題，本文提出了一種智能LED助航燈的設計方案。LED光源具有抗震性好、壽命長、高效節能和熱輻射小等特點［2］，能夠滿足機場助航燈要求。因此，LED光源在機場空側助航領域具有廣闊的應用前景。本系統采用發光LED冗余設計，實現了燈具的自診斷、自調節、多路恒流控制、動態電壓調節功能;燈具網絡化，確保了燈具的工作效率;系統自動監測能實時發現故障并報警，可在線更換并迅速排除故障;亮度實時監測和控制，確保助航燈的亮度恒定輸出。

1 燈光站系統結構

燈光站由主控計算機、多個燈光控制器、電源監視和切換模塊以及發電機控制模塊等構成。燈光站系統結構如圖1所示。

圖1 燈光站系統結構圖Fig.1 The structure of light station system

燈光控制器通過雙冗余CAN總線接收主控計算機下達的控制命令并執行，反饋當前LED燈具運行狀態，同時上傳各種測量數據。LED助航燈燈具通過電力載波通信接口接收燈光控制器發送的控制命令，并對控制命令進行解析，實現LED助航燈的亮度調節。同時，LED助航燈燈具向燈光控制器反饋LED助航燈的運行狀態以及電流、電壓、溫度、亮度等工作參數，及時監測當前燈具的故障狀態并發出報警信號。

2 LED助航燈燈具電路設計

作為一個智能化的設備，LED助航燈燈具不僅是發光源，同時也是光源的控制器。LED燈具電路分為LED驅動電路和燈具控制電路兩部分。

LED燈具控制與驅動電路以32位閃存的嵌入式微控制器 STM32F107為核心。STM32F107以 ARM Cortex-M3為內核，具有72 MHz運行頻率、64～256 kB Flash和高達64 kB的SRAM。其標準外設包括10個定時器、2個12 bit ADC轉換器、2個 I2C接口、5個USART接口、3個SPI端口和兩路CAN2.0B接口。

燈具控制電路包括LED電壓檢測電路、電流檢測電路、LED光板溫度檢測反饋電路、LED發光亮度檢測電路、控制LED發光亮度的PWM電路、與燈光控制器實時通信的電力載波接口電路以及故障反饋電路。LED驅動電路包括帶功率因數校正PFC的AC/DC轉換電路、DC-DC轉換電路以及恒流驅動電路。

2.1 電力載波通信

電力線載波技術利用電力線傳輸數據，為實現遠程數據的采集和傳輸提供了極大的便利［3］。電力載波通信模塊采用北京曉成公司生產的高性能低壓專用電力載波通信芯片PL2101。該芯片是一個新型直序擴頻半雙工調制解調器，抗干擾能力強。它由單一的+5 V電壓供電，與微控制器的接口簡單，載頻為120 kHz，帶寬為 15 kHz，傳輸速率為 500 bit/s，接收靈敏度高達30 μV。PL2101還具有上電復位、電壓檢測電路、32 B SRAM、看門狗定時、編程實時時鐘等附屬功能電路。

LED助航燈通過電力載波通信接口實現和燈光控制器的通信，接收燈光控制器的指令，控制LED的開關、亮度和色彩;同時把LED的工作狀態和電壓、電流、溫度、亮度等工作參數上傳到燈光控制器。電力載波不僅現場施工方便，而且也進一步降低了助航燈控制系統成本。

2.2 LED恒流驅動電路

LED恒流驅動電路包括帶功率因數校正電路PFC的AC/DC轉換電路、DC-DC轉換電路以及恒流源驅動電路。LED恒流驅動電路如圖2所示。

圖2 LED恒流驅動電路圖Fig.2 The circuit of LED constant current driver

LED驅動器選用NS公司的大功率LM3464驅動器。LM3464具有動態電壓調整功能并擁有4條獨立的穩流器通道，可以最大化提高系統效率。每條通道可驅動多達20個LED。LM3464設計精簡、開發成本低，符合本系統的設計要求。

LM3464通過PWM調節接口DIM接收微控制器的PWM控制信號，從而控制引腳GD1～GD4的輸出，達到4通道恒電流輸出的目的，實現LED的亮度調節。

2.3 動態電壓調整控制

LED照明只能采用直流供電［4］。帶功率因數校正電路PFC的AC/DC轉換電路及DC-DC轉換電路將市電220 V的交流電轉換為直流電，LM3464配備外部穩壓器接口 Outp，交流電變直流電的輸出電壓由LM3464直接控制。LM3464可通過DR1～DR4引腳檢測各LED燈串電壓，從而控制Outp引腳的輸出，并使交流電變直流電的輸出電壓在滿足所要求電流值的情況下達到最小值，從而實現動態電壓調整控制DHC功能，系統效率可提高到95%以上。

2.4 恒亮度控制

亮度檢測模塊采用光傳感器ISL29004。ISL29004是新一代光-數字傳感器，集成了電流放大器［5］，能將光照度轉化成16位I2C標準數字輸出信號，內含16位ADC、8個8位寄存器、4個只讀數據寄存器、2個 I2C接口地址選擇引腳A0、A1。

每個恒流源對應一組LED光板，微控制器通過亮度檢測電路獲得每組LED助航燈輸出的亮度，利用PWM控制恒流源輸出恒定電流，達到不同等級下的恒亮度控制的目的，確保同一燈光站的LED助航燈輸出光度的一致性和恒定性。

2.5 故障檢測

當某串聯LED因出現開路而發生故障時，動態電壓調整控制環路會被誤導，以致通過提高DC-DC電源輸出電壓作出補救，從而增加功率損耗。

恒流源控制器LM3464分別通過引腳SE1～SE4和DR1～DR4實時監測各LED燈串電流和電壓，以及時發現以上故障，并關閉故障通道，將故障通道與動態電壓調整環路隔離。同時，LM3464通過引腳Faultb將故障信號反饋給微控制器，通過電力載波接口向燈光控制器上傳故障信息及報警信號。

2.6 后備恒流源設計

為提高系統的可靠性，LED驅動電路采用了多路恒流控制［6］，LED實行串并結合的方案，增設后備恒流源和LED光板。當有一個LED因開路或短路失效而造成亮度下降時，微控制器將通過故障反饋電路獲得故障信號。當主恒流源無法通過增加電流來提高亮度時，系統啟動后備恒流源，微控制器通過PWM控制后備LED光板，確保LED助航燈的恒亮度輸出，從而達到在線更換、迅速排除故障的目的。

2.7 過熱保護

溫度傳感器采用精度高、功耗低的LM35芯片，其最大測溫范圍為－55～150℃，測溫精度為0.5 K。LM35的輸出信號是與溫度成正比的電壓信號(10 mV/℃)。微控制器實時監測LED光板的溫度，當溫度超過預設溫度閾值時，微控制器通過調節PWM控制信號減小LM3464的恒定輸出電流，避免LED過熱受損;若溫度繼續上升，則電流進一步降低，直至達到預設的最低照明亮度輸出。此時，系統啟動后備恒流源，彌補亮度損失。

3 燈具控制軟件設計

燈具控制軟件采用了 μC/OS-II的操作系統。μC/OS-II是一個免費的、源碼完全公開的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務操作系統。與其他操作系統相同，μC/OS-II也是從main()函數開始執行，完成操作系統的初始化、任務創建并啟動任務;同時，它還可以再添加部分與操作系統無關的工作［7－10］。燈具控制系統主要分為5個任務，這5個任務均由main()任務創建。燈具控制軟件框架如圖3所示。各任務的主要功能如下。

圖3 燈具控制軟件框架Fig.3 The software framework for lamps control

①電力載波通信服務任務TASK0，主要負責將燈光控制器的控制命令下達給每個燈具，并將燈具的工作狀態及工作參數上傳至燈光控制器。

②系統輸出服務任務TASK1，主要負責PWM控制信號的輸出，以至于控制恒流源輸出恒定電流，進而實現LED亮度的調節。

③動態監測管理任務TASK2，每隔15 s對LED的電壓、電流、亮度、LED光板溫度進行實時采集，并完成對數據的存儲管理。

④故障處理服務任務TASK3，主要完成當LED出現故障，啟動后備恒流源的工作。

⑤實時時鐘刷新任務TASK4，主要完成實時時鐘變量Time_Flag的刷新工作。

燈具控制系統的操作系統通過管理上述5個任務實現系統的各項功能。試驗表明，系統的實時性好、穩定性高、可靠性強。

4 結束語

本文以STM32F107為核心處理器，設計了一種LED助航燈及控制系統。該系統能夠有效解決助航燈效率低、可靠性差、穩定性不佳、故障監測不便等問題。大量試驗結果表明，助航燈光電源穩定、可靠性強、效率高、操作靈活方便、實時性好。在實際機場的應用中，該系統能滿足助航燈光故障檢測與自診斷、自調節的功能要求。

［1］王立文，李春，王丙元.助航燈光故障檢測與診斷系統的研究與實現［J］.電氣應用，2007，26(6):106 －110.

［2］竇林平.國內LED照明探討［J］.照明工程學報，2011，22(6):51－58.

［3］王君紅，劉寶，袁若權，等.基于電力載波通訊的遠程控制系統設計及應用［J］.化工自動化與儀表，2009，36(1):49 －51.

［4］王嘯東.智能LED照明驅動系統設計［J］.照明工程學報，2011，22(6):78－81.

［5］卜登立.光傳感器在ISL29004在智能照明控制系統中的應用［J］.現代電子技術，2009(2):15－17.

［6］苗濤，姚海瑞，李俊.基于PSoC大功率LED恒流源驅動器的設計［J］.自動化儀表，2011，32(8):85 －86.

［7］宋暉，高小明.基于ARM的嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ的移植［J］.微計算機信息，2006，2(2):135 －136.

［8］周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［9］王錚，靳世久，李健，等.嵌入式實時操作系統μC/OS-II在管道泄漏檢測中的應用［J］.化工自動化及儀表，2006，33(5):55 －57.

［10］路小俊，吳在軍，鄭建勇，等.基于ARM平臺及嵌入式實時操作系統的通信管理機［J］.電力自動化設備，2005，25(5):46 －49.