PWM 數字可調均勻光源的設計

范偉軍，張 浩，上官景仕，余桂英

（中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州310018）

1 引 言

在影像測量工件基本尺寸的過程中，檢測工件輪廓需要采用下照明，光源的均勻性和適中的光強是非常重要的指標［1］，不均勻的光源會造成不均勻的反射。光源較弱時，圖像上的噪聲增強、光圈加大、景深減少；光源較強時，圖像亮度失真，給后期圖像處理以及數據分析帶來不便，有必要設計一種精確數字可調的均勻光源，適用于二維光學測量系統［2］。其中LED 陣列和導光板可以得到均勻的光源，LED 作為第四代照明光源，和傳統光源相比，其集成了高效率、低能耗、長壽命、低污染等諸多優點，是未來理想的替代光源［3］。

為了保證在測量中有好的照明環境，應設計出具有較理想亮度和照明均勻度的LED 陣列。環形陣列可以顯示被測物體邊緣和高度變化，突出難以看清的部分，是邊緣檢測和損傷檢測的理想陣列方式。將LED 陣列設計成中央視場直徑2cm 內的環形陣列。其控制器接收來自上位機的命令和參數，經過處理，由驅動電路控制LED光源按照設定實現PWM 調光。

本文設計了一種基于PWM 數字可調的均勻光源系統，系統分為LED 均勻光源的設計、LED驅動電路的設計。LED 均勻光源的設計是通過正交實驗法計算出LED 的數量（4～12 個）和傾角（35～45°）等設計出一套均勻光源，LED 驅動電路的設計通過控制器程序控制D／A 轉換輸出模擬電壓，輸入恒流源驅動LED。

2 LED 均勻光源的仿真與設計

作為照明光源，要求在照明區域內具有一定的均勻光通量和照度。但單顆LED 的功率很小，所以采用LED 的曲線陣列形式，保證中央視場直徑2cm 內獲得較理想的亮度和照明均勻度［4］。

正交實驗設計是利用正交表來安排與分析多因素實驗的一種方法。從實驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行實驗，對這部分實驗結果分析，全面了解實驗的情況，找出最優的水平組合。

LED陣列式照明系統，影響照明效果的因素有LED 數量、LED 環 形 曲 線 半 徑、LED 傾 角、發光面與照射目標面的距離等［5］。因為所需視場直徑2cm，而環形陣列半徑為3cm 時符合設計要求，因此確定LED 的數量與傾角，以及其與目標平面的距離為正交實驗因素，選用6因素5水平的正交表（正交表L9（34）），取前四列，如表1所示。經反復嘗試，最終確定因素水平：LED 數量在8～12 之間，光源距目標面距離2.5～6.5 mm，LED 傾角在35～45°［3］。

表1 LED照明方案正交實驗表Tab.1 LED lighting solutions orthogonal table

表中均勻性為目標面上中心直徑為2cm 的最小照度與最大照度的比值。第16和23組實驗均勻性較好，其照度分布如圖1和2所示，在Φ20mm的 范 圍 內 照 明 均 勻 性 達 到 了72.803 1% 和86.410 3%。

但第16組的照明強度有所不足，在各因素水平下均勻性波動較大，故可確定LED 數量為12粒，同理算出各因素在不同水平下均勻性如表2所示。

圖1 16組曲線陣列光照圖Fig.1 The 16th figure curve array illumination

結合表1和表2作圖分析確定LED 曲線陣列半徑為3.5cm 時，在中心獲得直徑為2cm 的均勻光強視場。LED 傾角變化時，光源的均勻性處在較好水平，且波動較小，為便于設計設定傾角為45°。發光面與照射目標面的距離在2～3.5 mm 變化時，均勻性相對較好。

圖2 23組曲線陣列光照圖Fig.2 The 23th figure curve array illumination

表2 各因素在不同水平下均勻性Tab.2 Uniformity of factors at different levels of uniformity

3 LED 驅動電路總體設計

為提高光源穩定性，設計一種高精度可調的均勻光源驅動電路，以單片機為核心，通過D／A轉換輸出模擬電壓，輸入到恒流源電路驅動LED［7］。其控制系統框圖如圖3所示，系統包括PC機軟件、RS232串口、STC89C52、DAC0808數模轉換模塊、恒流源電路等［8］。

3.1 單片機控制器與D／A 轉換電路接口

系統單片機選用STC89C52，是八位高性能MCU，該芯片采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2～4 個時鐘周期，6 倍于標準80C51器件。只需要較低的時鐘頻率即可達到同樣的性能，這樣降低了功耗和EMI［9］。電路設計中，STC89C52的P2.0－P2.7與DAC0808的A1－A8腳相連用于發送控制碼。數模轉換電路如圖4所示［10］。

8位并行數模轉換器DAC0808，該芯片功耗低，精度為0.019 53V，滿足LED 光強控制要求，它的片內高精度輸出放大器支持軌對軌的輸出，A1～A8 是并行數據輸入端，通過它接收控制碼。DAC的VREF端輸入的電壓基準為5V，輸出電壓如式（1）所示，實現了256級可調。

圖3 控制系統框圖Fig.3 Block diagram of control system

圖4 系統數模轉換電路圖Fig.4 Circuit diagram of the digital－analog conversion system

式中：A1～A8是單片機接收上位機發給DAC 的控制碼。

3.2 恒流源電路

控制器發出的每一個控制碼都對應D／A 輸出的一個恒定電流的電流源，經高增益運放轉換為電壓輸入到恒流源電路中。如圖5所示為恒流源電路，該電路屬于電流串聯負反饋的拓撲結構，反饋組態能穩定輸出電流。在電流源電路中，Vin是前級DAC 輸出的控制電壓信號，其范圍是0～5V。電路中采用的集成運放LM358內部包括有兩個獨立、高增益、內部頻率補償的運算放大器。LM358內部運放1的輸出電壓經電阻R1反饋至反相輸入端，構成同相比例電路。功率三極管與運放的基極相連，用來增加驅動電流。在LM358的同相端輸入電壓恒定時由于負反饋的存在，保證了LM358輸出電壓恒定，從而使流經LED 負載的電流為恒定電流，且耗能少，延長燈具［11］。

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

4 通信程序設計

通信程序是燒寫到STC89C52 中的下位機程序，串口通信采用方式1，其波特率由定時器1的溢出率控制。與串口通信有關的寄存器主要是SCON，其中SM0和SM1確定串口的工作方式，TI和RI是串口發送和接收的標志位，重要的一點是這兩個標志位不能自動清零，需要通過軟件清零的方式清零。還有一位就是REN（允許接收控制位），只有當REN＝1時才允許接收RXD 上的串行數據；若REN＝0，則禁止接收。

為方便軟件的設計，定時器1的工作方式選擇方式2，為可自動重新裝載的8 位計數器。只要給定時器的高位和低位設置一樣的初值，就可以方便的控制串口通信的波特率。由此可以設置SCON 的值為0x50。

單片機采用內部時鐘電路，外接11.059 2 MHz的晶振。當定時器采用方式2工作時，對于定時器初值X 可以通過式（2）得到，其中SMOD是PCON 寄存器中的一位，在計算時直接影響結果。

當設定波特率為9 600b／s并且SMOD＝0時，計算的定時器初值為0xfd。

圖6 通信程序流程圖Fig.6 Communication program flow chart

單片機與上位機通信程序流程圖如圖6 所示，用查詢方式接收和發送數據，不停的檢測發送標志位（TI）和接收標志位（RI）有沒有置1，如果置1，則檢測緩沖區中的數據并將其取出，發送到相應的I／O 口，同時將此時I／O 口的數據發送到緩沖區用以返回單片機I／O 口的工作狀態。

5 LED 均勻光源實驗驗證

利用光學顯微影像測量系統，在所設計的LED 環形陣列光源上方的測量平臺上放置導光毛玻璃。考慮實際測試情況，在最小放大倍率0.7倍以及最大放大倍率4.5 倍兩種極端情況下，采集觀測面上的均勻照明圖像，通過上位機亮度調節軟件調節光源亮度級別分別為60、120、240、255，并分別采集這四級亮度的數字圖像，對其進行圖像處理，并用中值濾波算法濾除圖像采集過程中的椒鹽噪聲干擾，研究驗證設計的均勻面光源的均勻性。

圖7 放大倍率0.7圖像中值濾波后的三維圖Fig.7 Three dimensional picture of image median filtering at 0.7×

圖8 放大倍率4.5圖像中值濾波后的三維圖Fig.8 Three dimensional picture of image median filtering at 4.5×

在放大倍率為0.7，亮度級別為240時，所采集圖像經處理后，顯示三維圖如圖7所示。

在放大倍率為4.5，亮度級別為240時，所采集圖像經處理后，顯示三維圖如圖8所示。

以此類推，在同一倍率下，調整亮度級別采集圖像，研究圖像均勻性，實驗數據如表3所示。

表3 采集圖像均勻性的結果Tab.3 Results of collected image uniformity

從表3中數據可知，在光學顯微鏡相同放大倍率的情況下，圖像亮度隨著數字信號的增大而增大，在4.5倍率時其圖像亮度較倍率0.7有所下降，分析原因可能是由于在增加放大倍率的過程中，隨著CCD 攝像頭的移動，使進入攝像頭的光通量減少，導致圖像變暗，同時在放大倍率增大時，由于導光毛玻璃本身的導光性能不佳，使所采集圖像的均勻性變差。光照面均勻性符合設計要求，可滿足顯微影像測量需要。

6 結 論

設計了基于PWM 的光源系統，完成了對均勻光源、LED 驅動電路、控制器程序的設計，實現了光源的均勻可調。系統穩定性好，測試數據有效，完全符合實際影像測量中的要求。實驗系統在最小放大倍率0.7倍以及最大放大倍率4.5倍下，檢測4個級別的光強均勻性都達到了83%以上。實驗結果證明，系統穩定可靠，可以廣泛的用于實際影像測量。

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