多功能光源調制驅動系統

覃 莉，曹匯敏，許 曼，凌鴻順，岳之恒，傅 歆

（中南民族大學 生物醫學工程學院，湖北 武漢 430074）

發光二極管（LED）以其使用效率高、使用壽命長和低功耗的特點廣范應用于各種場合[1]，尤其近幾年，隨著光學療法在臨床治療上的廣泛應用和快速發展[1-2]，通用的光源調制驅動系統的研制也就成了當務之急。目前國內所使用的光源驅動器尚未實現多種模式的功能。本文介紹一種以ARM stm32和FPGA作為控制器，控制恒流源提供恒流信號的方法，實現多功能光源驅動器的功能。

1 系統總體結構設計

系統結構框圖如圖1所示，主要由基于ARM的主控部分、基于ARM觸摸屏的人機交互模塊、基于FPGA的信號源、恒流源驅動電路等4大部分組成。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

主要設計思路為：人機交互模塊通過ARM觸摸屏接收對驅動模式的選擇、驅動信號參數的設置，由ARM主控制器發送波形種類，幅度，頻率的控制信息給FPGA，FPGA接收信號并做出響應產生相應信號，產生的信號通過D/A轉化及濾波后送給程控恒流源再驅動LED發光，產生的驅動信號還通過A/D采樣反饋給ARM主控，并在ARM觸摸屏上顯示波形。

2 系統主要模塊設計

2.1 基于ARM觸摸屏的人機交互模塊

為實現人性化人機交互，采用觸摸顯示屏接受設置參數。用戶通過ARM觸摸屏選擇驅動模式、設置驅動信號參數及驅動信號波形顯示。基于ARM觸摸屏的人機交互界面顯示利用結構體實現。在結構體里存儲界面的圖形信息和坐標信息，多界面的實現則相當于一個菜單鏈表，多界面切換就是利用鏈表來尋找相應菜單[3]。

觸摸屏上，一部分區域用于顯示波形，一部分區域用于用戶操作。通過一定的采樣頻率，將送到LED的驅動信號在觸摸屏波形顯示區域中顯示，能直觀了解到輸出波形的情況。在觸摸屏操作區域可以實現對驅動信號的波形、幅值和頻率的調節，在直流驅動模式下，可實現幅度的調節；在脈沖驅動模式下，可實現頻率、占空比、幅度的調節；在正弦驅動模式下，系統可產生兩種頻率分時切換的正弦驅動信號，能實現頻率、幅度和分時切換時間的調節，整體操作界面人性化。

2.2 基于ARM的主控部分

ARM主要完成與觸摸屏的通信、與FPGA的通信以及在恒流源部分的穩流功能。

FPGA與ARM控制板的通信采用并行接口，一次傳輸17位，從第16位到第1位為數據，第0位作為控制；ARM向FPGA寫操作時，第0位控制命令為高電平，先寫入16位數據；ARM向FPGA讀數據時，第0位控制命令為低電平，并先寫入16位數據。這樣就實現了FPGA與ARM之間的通信[3]。

在恒流源中通過對采集到的數據分析，利用ARM送出數字量給FPGA，然后由FPGA控制D/A轉換轉變成模擬信號，再送到大功率三極管進行放大。ARM通過ADC實時對輸出電壓（即電流，電流轉化為電壓）進行監控，采用數字方式作為閉環反饋調整環節，由程序控制功率管的輸出電流恒定。當改變負載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環節使得系統一直在設定值而維持電流恒定。同時，通過ADC可以采到連續的電壓值，反饋給ARM后在觸摸屏界面上顯示出相應的波形。

2.3 基于FPGA的信號源

此模塊的核心在于FPGA的設計實現DDS的邏輯功能，通過對存儲器查表后輸出信號，由相連接的數模轉換器轉換為要求的波形。

DDS技術是從相位的概念進行頻率合成。它按一定的相位間隔，將待產生的波形幅度的二進制數據存儲于高速存儲器作為查找表，用參考頻率源 (一般為晶體振蕩器)作為時鐘，用頻率控制字決定每次從查找表中取出波形數據的相位間隔，以產生不同的輸出頻率，對取出的波形數據通過高速D/A轉換器來合成出存儲在存儲器內的波形。通過修改存儲在ROM里的數據就可以產生相應驅動模式下的驅動信號[3-5]。DDS原理圖如圖2所示。

圖2 DDS原理圖Fig.2 DDS diagram

具體實現過程中，我們建立一個模塊實現從ARM接收來的頻率控制字的寄存功能，作為寄存器。全加器實現10位的相位累加，通過頻率控制字作為步長進行控制，然后再通過波形ROM完成波形的查找與輸出。通過改變相位累加器的相位增量X，即地址間隔的改變，控制讀出波形存儲器一個周期正弦波幅值的數目，達到輸出頻率的控制。其輸出的頻率為，其中fclk為系統時鐘頻率，M為相位累加器的位數，X為相位增量一頻率控制字，由公式可知f0與X成正比，控制X就可以控制輸出的頻率[3]。據此則可根據ARM傳送的控制指令修改ROM的值以產生常規的正弦、脈沖、直流驅動信號。在產生雙頻輪流的正弦驅動信號時，通過分時輪轉控制頻率的算法，即ARM傳送用戶輸入的頻率控制字給FPGA，然后相位累加器根據這個值進行相位累加，在累加值達到頻率轉換值之后，相位累加器清零并保留上一個電壓值，作為下一個頻率轉換點的初始值，通過這種算法即可實現分時切換頻率且相位連續的功能。

另外，在此模塊中還有外圍電路，主要完成D/A轉換與濾波功能。D/A轉換主要采用DAC900芯片實現。電路圖如圖3所示。

圖3 D/A電路圖Fig.3 D/A circuit diagram

2.4 恒流源驅動電路

LED驅動源是恒定電流工作方式，根據本項目高精度高穩定度要求，我們采用程控LED驅動源，保證檢測參數的穩定。通過硬件電路與軟件控制的結合，提高驅動源的性能，提高控制的精度、穩定度。

2.4.1 恒流源驅動電路的程控部分

程控恒流源的穩流電路主要采用負反饋方式，常用內環反饋，即在穩流部分加入一個負反饋，在D/A輸出電壓值之后與基輸出電壓相比較，根據誤差信號，運用電路負反饋原理降低誤差，使輸出性能較理想[6]。也有用雙閉環控制。即在內環反饋基礎上再加上一個外部的負反饋。把輸出后電壓值經過A/D轉換之后，再與設置電壓值相比較，通過程序調節D/A控制電壓穩定輸出電流，然后經過內環反饋，進一步控制電壓穩定輸出電流，即經過了兩次負反饋過程。理論上講這種方案比單獨內環反饋要更精確。故實際應用中，采用了雙閉環控制電路。雙閉環控制電路的原理框圖如圖4所示[6]。

圖4 程控恒流源原理框圖Fig.4 Programmable constant current source block diagram

2.4.2 恒流源驅動電路硬件部分

恒流源電路原理圖如圖5所示,在此電路中采用一個可以軌對軌的運放芯片OPA561作為電壓的前級的放大，且其關斷功能可以有效的保護電路。兩個三極管串聯，前一個S8050作為前級的預放大，后面一個BD135音頻三極管用來擴流。在BD135的射極，串聯一個大功率的電阻，給集電極提供一個電流回路。Ie與Ic近似相等，可以通過一個光電接收管接收LED的光來推算出三極管和通過LED的電流信號。擴流三極管上加上散熱片，有效為電路散熱，避免溫度過高而產生的不穩定。

圖5 恒流源電路圖Fig.5 Constant current source circuit diagram

3 實驗結果

在觸摸顯示屏上選擇驅動模式、信號頻率及幅度，可看到LED以所選模式發光，并可在顯示屏上看到相應信號波形。該光源驅動裝置具有直流驅動、脈沖驅動、正弦驅動、雙頻正弦輪流驅動四種驅動模式，脈沖驅動、正弦驅動、雙頻正弦輪流驅動模式下，均可產生10 Hz～500 KHz,0.2mA～1 A的恒流驅動信號。圖6～圖9所示為4種模式下的驅動信號。

圖6 直流驅動信號Fig.6 DC-Driving signal

4 結束語

圖7 脈沖驅動信號Fig.7 Pulse-Driving signal

圖8 正弦驅動信號Fig.8 Sine-Driving signal

圖9 雙頻正弦驅動信號Fig.9 Dual-frequency sine-Driving signal

系統采用ARM和FPGA結合，控制恒流源的方法，研制了一種可實現產生多種驅動信號功能的光源驅動裝置。實驗證明：該設計電路正確可行，不同功率的LED均能在各種驅動模式下正常發光，滿足了多功能光源驅動裝置的要求。能為一些便攜式醫療設備所使用，還可作為其他類電子系統的驅動裝置。在不久的將來，隨著醫用傳感器及其他類電子系統的普及，這種光源調制驅動系統也必將得到空前發展。

[1]阮愷.光纖耦合 LED光學治療儀研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[2]曹匯敏.微小型光纖傳感器理論建模與設計實現[D].武漢：華中科技大學，2007.

[3]黃燕.基于FPGA的DDS信號發生器的研究[D].南京：南京林業大學，2012.

[4]闕斐一，陳名松，秦琳.新型大功率藍光LED光源驅動電路設計[J].電子設計工程,2011,19(7):187-189.QUE Fei-yi,CHEN Ming-song,QIN Lin.Drive circuit design for the novel high-power blue LED[J].Electronic Design Engineering,2011,19(7):187-189.

[5]曹匯敏，陳幼平，張岡，等.嵌入式網絡化光纖智能傳感器[J].儀表技術與傳感器，2006(4):1-3.CAO Hui-min,CHEN You-ping,ZHANGGang,etal.Embedded networked intelligent optical fiber sensor[J].Instrument Technique and Sensor,2006(4):1-3.

[6]唐健.基于Labview的高精度程控 LED驅動源的研究與實現[D].重慶：重慶大學，2007.