基于主從式架構的光強度檢測系統

梁佩瑩　張邦鋒　郭澤成　王宇華

摘 要： 描述了一種基于主從式架構，從機基于STM32F107的32位微處理器實現光強度數據采集，主機應用C#編程語言實現數據處理的光強度檢測系統。該系統在主機端采用串口通信類庫，實現程序對光強板、程控電源、PLC的控制和數據接收。主機程序的核心功能還包括光強標定和二次校準，修正硬件因素和外界條件存在的誤差。系統對接收到的數據做優化處理并轉換為需要的格式，樣品測試的曲線分別在極坐標、直角坐標和數據列表中顯示，便于數據分析。該系統可廣泛應用于光源與照明領域。

關鍵詞： C#； 光強檢測； STM32F107微處理器； 主從式架構

中圖分類號： TN15?34； TP274+.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）07?0134?04

Abstract： A light?intensity detection system with host?slave architecture is described in this paper. The slave computer is based on 32?bit microprocessor STM32F107 to acquire the light?intensity data， and then the data is processed with C# programming language by means of the host computer. The serial communication class library is adopted by the host?side in the system， so the program can control the light?intensity board， programmable power supply and PLC， and realize data reception. The core functions of the host computer program include light?intensity calibration， secondary calibration， and errors correction caused by hardware and external environments. After that， the received data is optimized and converted to the needed format. The tested curves of the sample are displayed in polar coordinates， rectangular coordinates and data list for further analysis. The system can be widely used in light source and illumination field.

Keywords： C#； light?intensity measurement； STM32F107； host?slave architecture

0 引 言

LED作為21世紀綠色照明新光源，具有亮度高、壽命長、節能環保等優點。目前國內已形成7個國家半導體照明工程產業化基地[1?2]，成為世界照明電器的生產大國和出口大國，如何對半導體照明產品進行檢測成為檢測實驗室建設中的一個重要方面。光強是光源的一個基本屬性，它考慮了人的視覺因素和光學特點，同時也是光源的屬性。光源光強探測是光電企業重點研究的項目之一。在我國能源壓力日趨嚴峻的形勢下，加快新光源產業的發展，促進節能減排，保障新光源產品的質量，是可持續發展的必然選擇。

1 系統總體設計方案

光強檢測系統從機采用單片機STM32F107作為電路系統的核心控制器，并且利用光度探頭作為數據采集元器件，A/D轉換電路中采用了AD7356芯片進行模數轉換和數據傳輸。系統主機應用C#編程語言實現程序對程控電源、PLC、光強板的控制和數據接收、處理，并進行光強標定和二次校準，實現數據在極坐標、直角坐標和數據列表中顯示。

2 采集電路設計

光度探頭由余弦矯正器、濾光片和光敏元件組成。光敏元件有固有的相對光譜靈敏度，隨外界光強的變化，對應的電參數發生變化。當相對光譜靈敏度曲線和明視覺函數曲線一致時，可以實現精確測量光強參數，為了確保相對光譜靈敏度曲線與明視覺函數曲線一致，需要調節濾光片進行校正。放大電路采用OP07運算放大器，OP07具有低失調、高開環增益的特點，適用于光源的光強小而采集信號微弱的情況。如圖1所示，模數轉換電路采用AD7356芯片，由于模數轉換的工作特性，會出現混疊現象，而AD7356芯片本身自帶抗混疊濾波器，有利于電路的設計。此外，轉換器芯片內置的輸入鉗位保護電路可以承受高達±16.5 V的電壓，是具有高輸入阻抗和片內濾波功能的單電源，因此不需要外加雙極性電源以及驅動運算放大器。數字濾波器采用引腳驅動，降低噪音影響。

3 單片機處理系統設計

3.1 STM32F107芯片

單片機處理系統采用以ARM Cortex?M3為內核的STM32F107芯片，其最高的工作頻率可達到72 MHz，數據總線寬度為32 b， 是新一代的嵌入式ARM處理器[3]。系統單片機與計算機的通信采用異步串口通信，電路中有兩組移位寄存器，將并行通信轉換成串行通信，即發送部分和接收部分，全雙工運行，并制定通信協議。

3.2 軟件程序設計

軟件設計使用C#編程語言，C#是Microsoft開發的一種面向對象的程序設計語言，由C++衍生而來，綜合VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，是.NET開發的首選語言[4]。設計的主從式光強度檢測系統主機端使用異步委托動態地對參數進行賦值和控件狀態修改，調用線程類庫處理密集型任務，使得程序具有更好的擴展性。軟件設計流程如圖2所示，用串口線將程控電源、PLC、光強板與計算機連接，通過計算機發送通信協議到達電源、PLC、光強板，控制連接各部件。同時，電源和光強板檢測到的數據通過通信協議將數據反饋到計算機，利用計算機對數據做不同的優化處理，實現不同的功能。

設計的主從式光強度檢測系統采用串口技術與計算機連接[5]，在計算機沒有安裝網卡的情況下，使用串口通信將設備上的數據傳送到計算機上。微軟公司在推出Visual Studio 2008版本以后的開發工具，不需要采用第三方的控件就可以設計串口通信的程序。而且Famework類庫中的SerialPort類，含有多種串口通信的功能[6?7]，以SerialPort類為核心設計程序快速方便。C#中的SerialPort控件通過串口線連接外部設備的控件。圖3為外部設備連接流程圖。

在設置電源發送通信協議時，因為經常要改變變量的值，所以使用serialPort.Write（）函數。由于通信協議中使用的是16進制，而數據的格式由用戶隨意輸入，但是通信協議有特定的格式規定，所以需要將數據用ToString（）函數轉換數據格式。轉換完成后在for循環中用Substring（）函數索引數據中的每一個值并轉換為char類型，放入byte類型數組中。再用Convert.ToByte（）將數組中的每一個值轉換成16進制。系統進行協議發送與數據接收，首先對接收的數據進行位數判斷，如果數據還沒有到達則繼續等待直到接收完整，如果在設定的次數等待還不能完整接收數據則會跳出并返回，系統接收到數據后對數據進行處理。

數據接收使用serialPort.DataReceved（）函數，當數據到達串口時，可以把數據接收的正確性判斷、數據進制轉換、數據修正放在serialPort.DataReceved（）函數中。對光強值的判斷使用函數rev[1]>0xC0，rev[1]是光強數據的高8位，光強檢測系統有不同的衰減檔，如果接收到的數據不在選擇的衰減范圍內，則會重新發送命令，將接收到的數據在另外的衰減范圍內計算，乘以相應的衰減比。

3.3 數據處理

數據處理流程如圖4所示。光強板采集到的信號并不是純凈的光強信號。光強板通電時，電路中有暗電流和噪聲等干擾信號，如果測試的環境并不是全黑暗的條件，外界也會出現干擾信號，把干擾信號過濾，需要進行包括暗電流與噪聲的背景檢測。背景檢測的條件與常規檢測的條件應保持一致，但光源應處于關閉狀態，將讀取的背景信號保存至配置文件中。常規測試讀取到的信號減去背景信號得到光源的光強信號，這時得到的光強信號只是相對值，與實際光強值存在一定函數關系，因此需要通過光強板測量標準燈的數據，再與標準燈的真實數據進行匹配，計算出光強標定系數，利用光強標定系數標定待測光源的光強值。光強標定后得到的標定系數保存在配置文件中，此后每次進行光強檢測，都需要使用標定系數去修正，修正后的光強值接近真實值。由于硬件和外界條件的影響，測量得到的數據還會存在一定的誤差，需要進行二次校準。光強二次校準是數學補償的方法，可以提高數據的準確性。

數據顯示使用極坐標、直角坐標和列表數據三種方式。極坐標的極軸表示測量角度，極徑的長度代表光強幅度，而系統讀取的數據使用直角坐標，所以需要將直角坐標數據轉換成極坐標數據。極坐標圖的選擇控件是ZedGraph控件。ZedGraph控件可以利用任意點組合創建2D的圖標[8?9]，ZedGraph是一個很靈活的類庫，圖表中各個位置都可以被修改。直角坐標圖使用的是C1Chart控件，C1Chart控件包含折線圖、柱形圖、扇形圖等多種數據圖形，為了更好的分析數據，這里使用的是折線圖。系統將一個或多個數據使用者以同步的方式和一個數據提供者綁定，如果修改、添加或刪除綁定數據集合中的一部分值，C1Chart控件將反映新的數據集合。

3.4 程序界面與功能交互

程序的主界面由MenuStrip控件組成菜單欄，MenuStrip控件可以添加各類ToolStripMenuItem，這些ToolStripMenuItem能夠觸發各種事件，完成所需操作，例如，開燈、關燈、復位等。數據圖表顯示的空間放入TabControl控件中，TabControl是選項卡容器，存放各種控件，系統使用了三個選項卡，分別存放極坐標圖、直角坐標圖和數據列表圖。通過切換控件上方的選項卡來切換顯示內容。狀態欄顯示控件為StatusStrip控件，StatusStrip控件包含Label子控件，使用Label子控件顯示需要顯示的狀態。例如，在連接外部設備時，當連接成功或連接失敗時，需要告訴用戶知道當前的設備連接狀態，可以用標志位判斷連接結果，相應在StatusStrip控件上顯示出來。程序設置功能可以完成對PLC、電源的設置，由于系統設置是子WinForm，所以需要傳遞參數。測試、停止、復位、開燈、關燈的功能都是發送對應的協議到PLC或者電源，完成對應的操作。

4 測試結果

4.1 樣品測試

以鹵素燈為樣品對設計的主從式光強度檢測系統的性能進行測試。系統測試平臺自動轉到初始角度，并按照設置的角度間隔轉動，直到轉到設置的角度。圖5為測試結果，測出光源在不同角度的光強度值。由圖5可知：當轉動角度為0°時光強值最大，即光源正對光強探頭；當轉動角度為-90°和90°時，光源與光強探頭垂直，光強值最小，接近于0，極坐標圖中的光強線接近左右對稱。圖6所示為直角坐標測試結果圖，圖中的曲線符合光強角度分布，對稱角度的光強幅值幾乎相等。測試表明，光源的光強分布良好，設計的主從式光強檢測系統性能穩定。

4.2 光譜儀與主從式光強度檢測系統的測試數值對比

使用同一個鹵素燈樣品，把主從式光強度檢測系統的測量數據與光譜儀測量數據進行比較，由圖7可知，當鹵素燈功率達到23.295 W時，光譜儀測量的光通量和主從式光強度檢測系統測量的光通量約為90 lm和80 lm，在這個功率值附近主從式光強度檢測系統所測試的光通量誤差較大，而在其他測試點，特別是功率在7.5～20.0測量范圍內，兩條曲線值相一致，計算出曲線平均誤差值為0.004 15，設計的光強度檢測系統能滿足允許誤差范圍內的應用。

5 結 語

本文設計的基于主從式架構的光強度檢測系統，從機基于STM32F107的32位微處理器實現光強度數據采集，主機應用C#編程語言實現數據處理。系統主機端使用異步委托動態地對參數進行賦值和控件狀態修改，調用線程類庫處理密集型任務，使得程序具有更好的擴展性。以鹵素燈為樣品，分別使用光譜儀和主從式光強度檢測系統對同一樣品進行測試，測量的曲線分別在極坐標、直角坐標中顯示。測試結果表明，設計的主從式光強度檢測系統測試結果精確，可廣泛應用于光源與照明的檢測領域。

參考文獻

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