基于照明缺陷的光源照明系統圖像檢測控制電路設計

李嘉賢

摘 要： 在目前的機器視覺應用系統中，光源與照明是整個系統的關鍵問題，不同照明方式都存在一定的缺陷特征。為了滿足圖像采集檢測精度要求，針對不同照明方式缺陷特征，設計光源圖像檢測控制電路。采用單片機開關電源芯片作為主控芯片，設計LED光源圖像檢測背光控制電路，由電壓轉換、恒流控制以及背光調整等電路部分組成，電路結構簡潔，簡化電路設計。經過測試，控制電路效率高，滿足圖像采集需求。

關鍵詞： 照明缺陷； 控制線路； 圖像采集； 照明系統

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0101?03

Design of image detection and control circuit for light?source illumination system according to illumination defect

LI Jiaxian

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Eastern Liaoning University， Dandong 118001， China）

Abstract： The light source and illumination in current machine vision application system are the keys of the whole system， but all the illumination modes exist certain defect characteristics. In order to meet the requirements of image acquisition and detection accuracy， the light?source image detection and control circuit was designed to deal with the defect characteristics of different illumination modes. The SCM switching power chip is taken as the main control chip to design the image detection backlight control circuit of LED light?source. The circuit is composed of voltage conversion， constant current control， backlight adjustment， and other circuits. The circuit structure is simply， and can simplify the circuit design. The test results show that the control circuit is efficient， and can meet the requirements of image acquisition.

Keywords： illumination defect； control circuit； image acquisition； illuminating system

0 引 言

自動光學檢測系統集圖像處理、數控精確定位為一體，受缺陷檢測系統中視野的影響，在系統檢測中要求多次采集圖像，實現精確控制；而且在不同照明條件下，特征也不一致；因此需要設計圖像控制電路，以便得到最好的圖像質量。目前市場中存在多種背光控制電路，但是多需要直流電源供電，系統設計過于復雜，存在很大的能量消耗。本文基于照明缺陷，設計了高效LED控制電路，直接產生直流電壓。

1 LED光學原理

LED是指發光二極管，將電能轉化為光能，在工作中需要外加電源。外加電場作用下，伴隨不同光輻射，以較高能量輻射出200～1 550 nm可見光。不同材料和結構LED發射光顏色不同。照明領域中，LED采用磷化鋁、磷化鎵等材料合金，發出的光主要為紅色、黃色，采用氮化鎵做合金材料，發出的光主要是白色、藍色以及綠色。

2 背光控制電路設計

MCU控制器選擇28引腳閃存單片機，時鐘頻率為16 MHz，整個系統控制流程為開始→初始化→讀取3D控制信號→3D標志位→2DPWMI調光→2D保護（3D掃描方式調光）→關閉電源（3D保護）→（關閉電源），能夠實現前段3D控制信號抓取。信號高時，進入3D狀態，檢測同步上升沿背光燈條，打開背光，保證圖像與背光的同步進行。信號低時，設計為2D模式，同步調整背光信號，實時監控MCU燈條低壓端。

采用LD7523為主控制芯片，經過必要整流后與開關變壓器整合，在外圍電路控制下轉換電壓。電路中電壓反饋、背光調整等環節都由分立元件組成，減少了元器件。恒流電路圖設計如圖1所示，檢測電路電壓，得到不同狀態下的電流，R3上的電壓較高時作為3D采樣參考電平，較低時作為2D電流采樣電平。限定R2上的電平和電流，設定LED電流。

在電流增大情況下，反相輸入端電平增高，三極管V1基極電平降低，減小LED電流。在電流減少的情況下，R2電壓變小，三極管V1基極電平升高，增大LED電流。如此循環，保持LED電流的穩定性。

MCU供電電壓為3.3 V，2D狀態下，MCU芯片產生低電平狀態，在PWMIN增高時，輸出高阻態，串聯電阻R7產生分壓壓降，以R7上的電壓為恒流參考電平，LED恒流模式打開LED。PWMIN較低時，輸出低電平，相當于接地，電阻R4接地，此時電阻R7無電壓壓降，恒流關閉LED，實現調光控制。在3D狀態下，IN信號為高電平，判斷輸出狀態，PWMIN高信號下，PWMI輸出VDD高電平，此時電阻R4串聯兩個電平，無電流，R7產生較高壓降，自恒流模塊中R3輸入端得不到電壓，實現3D狀態下調光控制。

在反饋部分電路設計中，保護電路通過外圍R10和R11之間壓差實現，如圖2所示，在燈條短路等異常情況下，R10，R11分壓值為0，I/O端能夠檢測出電壓異常，進而將異常電壓信號發出，關閉電源保護電路。如果同時出現正負短路情況，設計中設定為電壓值升高，因此同樣能夠檢測出信號進而關閉電源。采用MCU反饋設計電路，能夠檢測R10，R11電壓，得出比較小的一路，設計設定值。小于設定值時，調整MCU占空比，得出電壓較小的值，如果檢測值高于正常時，則調高MCU占空比，實現反饋。

整個電源與控制系統由濾波電路、校正電路和控制驅動部分等組成，如圖3所示，AC100是市電輸入信號，將信號轉變為能夠接收的直流信號，PFC模塊提高功率因數，提高功率。拓撲模塊能夠為伴音提供16 V供電。PFC電路采用軟開關技術，電源效率大大提高，不存在EMI問題，提供了穩定電壓。控制電路直接驅動燈串，能夠檢測反饋情況，及時調整電流，并參與部分故障監測。

開關電源本身存在電磁干擾，開關電路包括MOS管、變壓器等，MOS工作中漏極和源級電壓會出現較大變化，產生輻射干擾。開關電路在MOS導通時，變壓器電流存在磁化沖擊電流瞬變脈沖，MOS管斷開時，電壓尖刺很大，形成尖峰衰減震蕩，產生電磁干擾。整流電路中次級電路采用二極管，雖然消耗小，但是容易出現電磁干擾。開關電路MOS有較大電流時，會引起發熱問題，在高頻情況下出現特性，另外開關電源高頻工作時，變壓器線圈間產生電容，引起干擾。30 MHz以下頻率為主要傳導干擾，在實際工作中，元器件一般都存在雜散參數，在高頻工作狀態下，元器件的本身特性更加明顯，嚴重影響耦合等效電路，出現較大干擾。

針對電源板自身存在的問題，需要設計電磁兼容性。采用軟開關技術減少開關電源本身的干擾，電壓為零時，實現ZVS，電流為零時，關閉MOS，減少開關損耗。采用調制開關頻率技術，電源工作中各個設備都存在自己的固定頻率，在底噪比較高時，調試芯片開關頻率降低，轉移其他頻率段EMI能量，實現各個頻率段的調節，不危害電網設備安全。采用濾波處理掉不想要的高頻傳導信號，抑制150 kHz～30 MHz頻率，允許市電通過，調整電感和電容值，消減頻率段EMI。在抗干擾設計中同時采用PCB抗干擾設計，降低電路板內部的干擾，在開關電源設計中，根據產品內部結構確定端口時，根據電源模塊之間位置，整體布局電路板，注意布線走線，根據布線關系，盡量縮短長度，避免影響高頻信號，并減少芯片與電解地距離，提高供電安全性。選擇噪聲較小的器件，將連接漏極變壓器纏繞在最里層，減少輻射值。

在安全性設計中，電路系統安全性是重要指標之一。漏電流存在很大安全隱患，依照國家相關規定，Y電容容值設計在2 200 pF以下，并采用聚酯膜電容材料，保證在瞬態尖峰擊穿失去濾波效果。設計防潮、防煙霧等設計，并進行焊接、調試和驗證。考慮到交流信號進入到電源板后，保險絲是第一個元器件，很容易受到惡劣環境影響，因此將反激電路作為第一個開關電源，具有過功率保護功能。

3 電路測試

可靠性測試包括浪涌測試、降額測試和安全測試等。浪涌測試，在雷電天氣下，電網容易混進高壓脈沖，依照相關標準需要對設計電路進行浪涌測試，測試條件和結果如表1所示。

降額測試讓元器件在低于設定額度值條件下工作，測試電源板，電源驅動板相關功率器件共組狀況正常，滿足電降額要求。對電源板二極管、燈條端子等進行安全測試，故障后能夠進入到保護狀態。

電磁干擾測試，包括傳導干擾和輻射干擾。將電源樣機放入MFC暗室進行傳導干擾測試，依照國家標準要求天線與機器距離，進行水平方向測試，傳導干擾測試結果如圖4所示，傳導干擾值很小。

4 結 語

本文涉及LED光源控制電路，克服了原有技術中存在功能少、控制效果不佳的缺點，轉換效率更高，設計電路結構簡單、效果好，能夠靈活調整光源，為圖像采集提供更加理想的選擇，在驅動應用中，調光、保護等操作能夠根據襲擊需求進行改進，避免了每次都需要更改硬件電路的麻煩，同時能夠自行設計觸發時間，有效避免干擾。

參考文獻

[1] 何春紅，任斌.AOI檢測系統的光源照明模式和控制電路設計[J].電子科技，2014，27（8）：115?120.

[2] 任神河，高景山，韓凱旋.公路隧道LED照明的可行性研究[J].現代電子技術，2012，35（12）：166?168.

[3] 王盛婷.基于AOI的FPC缺陷檢測系統的研究與設計[D].廣州：華南理工大學，2014.

[4] 許峰川，朱虹，許宜申，等.基于LED的校園照明節能控制系統[J].現代電子技術，2014，37（5）：156?159.

[5] 金小龍.基于均勻照明與偏振成像的視覺檢測技術研究[D].南昌：華東交通大學，2014.

[6] 熊光潔，張智賢，盧晶晶，等.基于Freescale微控制器的AOI多彩照明控制系統[J].計算機工程與設計，2014，35（5）：1823?1826.