基于ATmega16的多路LED光源控制器

李 程，韓震宇，鄒龍飛

（四川大學，四川成都 610065）

基于ATmega16的多路LED光源控制器

李 程，韓震宇，鄒龍飛

（四川大學，四川成都 610065）

為了控制半導體外觀缺陷在線檢測系統中的照明光源，介紹了一種以ATmega16單片機為核心，使用恒流方式控制LED照明光源的多路LED光源控制器。敘述了光源控制器的總體設計方案、主要硬件電路、軟件流程框圖。實驗結果表明該光源控制器擁有良好的調節光源亮度以及保持光源亮度的性能。

單片機；D/A轉換；恒流源；光源控制器

0 引言

在半導體生產行業中，由于其產品的復雜性和小型化以及生產過程的高速化，如果使用人工視覺對生產線上的產品進行在線檢測顯然是難以滿足要求的。相比人工視覺檢測，機器視覺檢測系統具有精確性、可重復性、高速性和客觀性等特點，因此，機器視覺檢測系統被廣泛地應用于半導體產品質量檢測。一個典型的機器視覺系統主要包括照明光源、鏡頭、工業相機、圖像采集/處理卡、圖像處理軟件以及其他外部設備。照明光源雖然是輔助成像器件，但是它對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用。光源控制器的作用是給照明光源供電，調節照明光源的亮度并且使照明光源始終保持該亮度，保證在長時間采集圖像的情況下，圖像的質量不會因為光源亮度的變化而出現波動。本系統采用恒流方式驅動LED照明光源，通過控制流過照明光源的電流，使其保持恒定，來保證照明光源亮度的穩定。

1 光源控制器總體設計

使用光源控制器的最主要目的是調節照明光源的亮度并且使亮度保持穩定。希望通過PC來調節照明光源的亮度，因此，采用RS232串口來實現PC機與光源控制器的控制核心ATmega16之間的通信。系統工作過程如下：PC機向光源控制器發送控制命令，單片機接收到正確的控制命令之后對該命令做出響應，使用SPI通信向數模轉換器發送數據，改變數模轉換器輸出到恒流電路的基準電壓，最終通過恒流電路達到調節照明光源亮度并且保持亮度的目的。在需要的情況下，還可以通過外部觸發信號點亮或熄滅照明光源，滿足多光源照明時各照明光源之間的配合要求。

系統主要原理框圖如圖1所示。

2 系統主要硬件電路

2.1 單片機選型

該光源控制器選用AVR系列中高檔單片機ATmega16作為控制核心。ATmega16是ATMEL公司生產的一款基于增強的AVR RISC結構的高性能、低功耗8位微處理器，采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線[1]。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行，CPU在執行一條指令的同時讀取下一條指令，實現了指令的單時鐘周期運行。ATmega16具有16 k字節的系統內可編程Flash，512字節的EEPROM，1 k字節的片內SRAM，串行通訊設備USART，串行外設接口SPI，32個可編程的I/O口，獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器以及支持擴展的片內調試及程序下載的JTAG接口。

圖1 系統原理框圖

2.2 恒流電路

前面提到過，在對LED照明光源的控制過程中，需要保證照明光源亮度的穩定，這樣每一次采集的圖像質量才能有保證。單純采用恒定電壓供電也可以驅動LED照明光源，但是生產線上的照明光源連續工作時間很長，在長時間工作的情況下，很難保證照明光源的工作電流不發生變化。一旦光源的電流發生變化，其照明亮度也就隨之產生變化，這樣就會影響采集圖像的質量。所以，采用恒流[2]的方式驅動LED照明光源。

恒流電路圖如圖2所示。

圖2中：

VoA——數模轉換器輸出的基準電壓；

Vf——運算放大器U1負端的反饋電壓；

V1——取樣電阻R5端取樣電壓；

R3=R6，R4=R7。

利用運放工作在線性區時的分析依據可以得知[3]，當電路處于穩態時：

由以上三式，照明光源電流I可表示為：

由此可見，只要通過控制數模轉換器輸出基準電壓VoA的數值，就可以改變流過照明光源的電流大小，從而達到調節照明光源亮度的目的。當基準電壓VoA保持不變時，照明光源的電流也將保持恒定。

2.3 數模轉換電路

在實際應用中，需要光源控制器對多個工位的多個照明光源進行控制，因此需要多路輸出的數模轉換器來滿足這個要求，AD7399就是這樣一款數模轉換器。AD7399[4]是四通道、10位電壓輸出的模數轉換器，采用3～5 V單電源供電或者正負5 V雙電源供電，適合單電源或雙電源系統應用，具有成本低、易于使用的特點，本次設計中使用兩片AD7399，能夠產生8路獨立的輸出電壓。其中一個數模轉換電路如圖3所示。

圖2 恒流電路圖

其滿量程輸出電壓由外部參考電壓Vref決定，Vref的電壓范圍應在Vss和Vdd之間，四路輸出的參考電壓可以相互獨立。雙緩沖串行數據接口使用串行數據輸入（SDI）、時鐘（CLK）、和片選（CS）三線信號，提供高速、三線、SPI、微控制器兼容輸入。由于是兩塊AD7399，因此片選信號（CS）與裝載DAC寄存器數據信號(LDAC)使用獨立的單片機引腳而SDI和CLK共用單片機的SPI接口。

圖3 數模轉換電路

DAC的輸出電壓，如VoA的計算如下所示：

其中，D是DAC的輸入數據，其變化范圍在0到1 023之間，步長為1。那么，式（4）中，電流值I的表達式可以寫成如下形式：

3 系統軟件設計

本系統選用AVR Studio作為軟件開發工具。AVR Studio是ATMEL公司的AVR單片機集成環境匯編及開發調試軟件，包括AVR assembler編譯器、AVR Studio在線調試功能、串并下載功能、JTAG ICE仿真等功能。

本系統能夠自動保存各通道的開/關狀態及亮度數據，在系統上電時，通過讀取EEPROM中的相關數據，自動初始化各通道的狀態和亮度，這樣就可以在設置過各通道的狀態及亮度之后，每次上電不需要再次設定各個通道的狀態和亮度，方便用戶使用。在調節LED照明光源亮度的時候，可以使用直接調節亮度（粗調）或者亮度自增自減（微調）兩種調節方式，將光源亮度調節到合適值。改變照明光源亮度之后，系統將向上位機返回該通道目前的開/關狀態以及其亮度數據，以供用戶查看，若需要查看所有通道的狀態及亮度，可以使用各通道狀態及亮度查詢命令進行查詢。由于本系統對命令的執行依據是從USART接收到的數據幀，為了保證該數據幀的正確，軟件設計時不僅對每一字節數據進行校驗，還對整個數據幀的幀首、幀尾和幀長度進行檢測。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實驗結果

本系統所控制的LED照明光源額定電流為40 mA，因此電路設計最大輸出略大于40 mA。在試驗過程中，將參考電壓VrefA設為+5 V，分別試驗本系統的恒流效果和調節效果。

將恒流電流調節到40 mA，每隔30 min測量一次，取樣電阻5.6Ω，測得的數據如表1所示?？梢娫谳^長的實驗過程中，電流保持恒定不變，因此，所控制的LED照明光源的亮度也會保持不變[5]。

表1 電流穩定性實驗數據

改變DAC輸入數據D，控制AD7399輸出線性變化的基準電壓VoA，使通過LED照明光源的電流隨之線性變化，達到精確調節照明光源亮度的目的。表2為DAC輸入數據與恒流電流值的關系，實際電流值通過測得的取樣電阻兩端電壓值V1與取樣電阻阻值R5計算得到。圖5為表2中數據做出的折線圖，從中可以看到，實際電流線與理論電流線基本重合，實際電流值隨著DAC輸入數據的增長而線性增大，符合式（6）中電流值I與DAC輸入數據D的變化關系。

表2 DAC輸入數據與恒流電流值的關系

圖5 DAC輸入數據與恒流電流值的關系

5 結束語

根據實際的應用需要，本文提出了一種以ATmega16為控制核心，使用恒流方式控制LED照明光源的多路LED光源控制器設計方案，并且制作出的實體已經應用于半導體生產線上的檢測系統中。實際使用證明，該光源控制器能夠很好的接受半導體外觀檢測系統的控制，輔助其進行圖像采集工作，表現出響應速度快、控制精度高、穩定性好等特點，達到了設計要求，具有較高的實用價值。

［1］Atmel Corporation.ATmega16A［Z］.愛特梅爾公司. 2009.

［2］田俊杰，董威，陳靜，等.基于場效應管的恒流源設計［J］.中國測試，2009，35（1）：118-121.

［3］秦曾煌.電工學電子技術［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］孫紅霞，李田.具有12位/10位分辨率的四組串行輸入DACs芯片AD7398/AD7399［J］.國外電子元器件，2002（1）：39-41.

［5］田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調光LED驅動器設計［J］.機電工程，2012（04）：465-468.

The Multichannel LED Light Controller Based on ATmega16

LI Cheng，HAN Zhen-yu，ZOU Long-fei
（Sichuan University，Chengdu610065，China）

In order to control the LED light source of semiconductor appearance defect detection system，this paper introduced a multichannel LED light controller based on ATmega16 microcontroller and using constant current mode to control LED light source.This paper described the design scheme，the main hardware circuits and the software's flowchart.The experimental results showed that the controller has a good performance in light source brightness adjustment and the brightness maintaining.

microcontroller；D/A conversion；constant current source；light controller

TP21

A

1009－9492(2014)02－0040－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.012

李 程，男，1989年生，四川德陽人，碩士研究生。研究領域：機電一體化。

(編輯：向 飛)

2013－08－12