智能燈光檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

牟向陽(yáng) 張珊珊 曹 健 陳百偉

（中電裝備山東電子有限公司，山東濟(jì)南250109）

0 引言

1 產(chǎn)品工作原理

被監(jiān)測(cè)的LED光通過(guò)反光鏡聚集，然后被收集到的光在光導(dǎo)纖維中全反射傳播進(jìn)入光電倍增管，微處理器可以通過(guò)程序控制多路開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，有選擇性地打開幾只開關(guān)，被打開的開關(guān)選擇對(duì)應(yīng)通道，LED光便會(huì)進(jìn)入I/V轉(zhuǎn)換電路，將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二級(jí)運(yùn)放，將電壓信號(hào)進(jìn)行放大，向下送給微處理器，微處理器內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器，利用特定的算法生成所需的數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)量，傳遞到上位機(jī)進(jìn)行分析做出判斷，當(dāng)LED燈光亮?xí)r上位機(jī)則通過(guò)菜單顯示正常，否則為顯示異常。同時(shí)可以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行聲音報(bào)警或者開啟報(bào)警燈進(jìn)行聲光報(bào)警，以防人為因素導(dǎo)致漏掉LED顯示異常的設(shè)備。該儀器可將3盞LED信號(hào)燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和預(yù)先設(shè)置的設(shè)備故障狀態(tài)信息進(jìn)行比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行異常，它就通過(guò)以太網(wǎng)或RS485接口傳遞給計(jì)算機(jī)。在上位機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件收到告警數(shù)據(jù)包便可啟用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送告警消息，通知操作人員及時(shí)處理故障，如果計(jì)算機(jī)不能接收告警信息，告警信息會(huì)被存放在識(shí)別器的Flash存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，并定時(shí)發(fā)送直到該服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)工作，進(jìn)行信息備份。最終識(shí)別出該LED的狀態(tài)信息：發(fā)光顏色和是否點(diǎn)亮。整機(jī)原理如圖1所示。

圖2為該檢測(cè)儀硬件原理框圖。

圖1 整機(jī)原理圖

儀器儀表等常見設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)一般都會(huì)通過(guò)它們面板上的LED信號(hào)燈反映出來(lái)，檢測(cè)機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)車間要求工作人員對(duì)有功、無(wú)功、跳閘、背光等信號(hào)指示燈進(jìn)行逐一檢查，定位故障。不言而喻，人工目檢信號(hào)燈很費(fèi)時(shí)間，連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間檢查，工作人員易因疲勞、粗心等原因出現(xiàn)遺漏和差錯(cuò)，而且人工檢測(cè)也會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)不及時(shí)、不可靠等問(wèn)題。

所謂“智能檢測(cè)”，只要將帶有LED燈的儀器儀表放在檢測(cè)儀對(duì)應(yīng)位置，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)燈的狀態(tài)即可發(fā)現(xiàn)LED元器件的好壞。因此，利用此種檢測(cè)儀器能夠避免人為檢測(cè)產(chǎn)生的紕漏，節(jié)省人力，而且檢測(cè)速度快，大概0.5～3 s就可以檢測(cè)一只設(shè)備，該方案也能為及時(shí)查找儀器儀表其他故障提供有效幫助。

圖2 硬件原理框圖

反光鏡：是采光裝置，為了獲得近似平行光束的光線，一般采用非球面反光鏡，非球面反光鏡光斑小，聚光效果好，能夠有效地將光束聚集在光導(dǎo)纖維上。光導(dǎo)纖維如圖3所示。

光導(dǎo)纖維是利用光的全反射原理，當(dāng)光線由光密媒質(zhì)（折射率為n1）射入光疏媒質(zhì)（折射率為n2）且入射角大于臨界角（i）的時(shí)候，就會(huì)生全反射現(xiàn)象[1-2]，如圖4所示。

臨界角由下式?jīng)Q定：

式中，n2?n1。

圖3 光導(dǎo)纖維

圖4 全反射原理圖

2 檢測(cè)的原理

在測(cè)量過(guò)程中，有兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)同時(shí)計(jì)數(shù)。首先給出閘門開啟信號(hào)（預(yù)置閘門上升沿），此時(shí)計(jì)數(shù)器并不開始計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器才真正開始計(jì)數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號(hào)（下降沿）到時(shí)，計(jì)數(shù)器并不立即停止計(jì)數(shù)，而是等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)才結(jié)束計(jì)數(shù)，完成一次測(cè)量過(guò)程。可以看出，實(shí)際閘門時(shí)間τ與預(yù)置閘門時(shí)間τ1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過(guò)被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期。設(shè)在一次實(shí)際閘門時(shí)間τ中計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Nx，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值為Ns[3]，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率為fs，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：

由式（1）可知，若忽略標(biāo)頻fs的誤差，則等精度測(cè)頻可能產(chǎn)生的相對(duì)誤差為：

式中，fxe為被測(cè)信號(hào)頻率的準(zhǔn)確值。

在測(cè)量中，由于fx計(jì)數(shù)的起停時(shí)間都是由該信號(hào)的上升沿觸發(fā)的，在閘門時(shí)間τ內(nèi)對(duì)fx的計(jì)數(shù)Nx無(wú)誤差（τ=NxTx）；對(duì)fs的計(jì)數(shù)Ns最多相差一個(gè)數(shù)的誤差，即，其測(cè)量頻率為：

將式（1）和（3）代入式（2），并整理得：

由式（4）可以看出，測(cè)量頻率的相對(duì)誤差與被測(cè)信號(hào)頻率的大小無(wú)關(guān)，僅與閘門時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率有關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試頻段的等精度測(cè)量。

多路開關(guān)內(nèi)部含有3組單刀雙擲開關(guān)，3組開關(guān)具體接通哪一通道，由輸入地址碼ABC來(lái)決定，微控制器輸出地址譯碼信號(hào)選擇相應(yīng)的通道打開與關(guān)閉。因?yàn)楣怆姳对龉茌敵鑫⑷醯碾娏餍盘?hào)，所以要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)才能進(jìn)行檢測(cè)。如果利用負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻較大而光電流信號(hào)較小時(shí)，則會(huì)影響光電倍增管的頻率響應(yīng)和線性度。二級(jí)運(yùn)放將轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，便于微控制器內(nèi)部的A/D能夠有效采集。FLASH采用鐵電存儲(chǔ)器、SPI通信方式，鐵電存儲(chǔ)器具有更高的寫入速度和更長(zhǎng)的讀寫壽命，由于現(xiàn)場(chǎng)需要采集每塊設(shè)備LED燈的信息，因此數(shù)據(jù)量很大；微處理器與上位機(jī)直接的交互采用RS485工業(yè)總線或USB接口通信方式。整機(jī)產(chǎn)品如圖5所示。

3 產(chǎn)品主要特點(diǎn)

（1）物理隔離：被檢測(cè)設(shè)備的LED光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)纖維傳遞進(jìn)入檢測(cè)儀，與檢測(cè)設(shè)備無(wú)任何電氣連接，能夠防止設(shè)備電源異常引起設(shè)備故障及其他原因?qū)е碌墓收袭惓，F(xiàn)象。

圖5 整機(jī)產(chǎn)品圖

（2）方便、省時(shí)、省力：對(duì)設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需進(jìn)行硬件接線，不需人為目檢和巡檢。

（3）高可靠性：能夠?qū)⒚恐槐淼腖ED狀態(tài)信息分別進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，通過(guò)上位機(jī)即可操作剔除不良品，大大提高了生產(chǎn)效率，能夠提升公司自動(dòng)化生產(chǎn)能力。

4 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

可識(shí)別7種LED顏色，分別為紅、黃、白等；可識(shí)別LED狀態(tài)：常亮、常滅；同時(shí)識(shí)別路數(shù)：4路（由于國(guó)網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)取消了報(bào)警燈）。

報(bào)警方式：（1）微處理器主動(dòng)上報(bào)；（2）本地聲光揚(yáng)聲器、霓虹燈報(bào)警。

備份報(bào)警信息功能：可以備份儲(chǔ)存10 000只設(shè)備的報(bào)警信息。

通信物理接口：10/100M以太網(wǎng)（TCP/IP）、RS485（國(guó)網(wǎng)645新規(guī)約）、標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口。

正常工作電源：交流220 V/直流5 V，功耗小于1.5 W。

智能設(shè)備生產(chǎn)管理系統(tǒng)：LED信號(hào)燈狀態(tài)監(jiān)控軟件界面。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析LED燈光特性和燈光檢測(cè)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)出儀器儀表的檢測(cè)電路，可以對(duì)設(shè)備LED插裝生產(chǎn)、調(diào)試、檢驗(yàn)等過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)檢、巡檢，取代人工巡檢，進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，能夠完全取代現(xiàn)有檢查工藝，自動(dòng)檢測(cè)每只設(shè)備的LED工作狀態(tài)，保證檢測(cè)質(zhì)量。