微光瞄具檢測儀微光模擬控制技術研究

賀肖影, 段 潔,2, 王勁松

(1.長春理工大學光電工程學院，吉林 長春 130022；2.長春理工大學博士后流動站，吉林 長春 130022)

引言

微光瞄具在定型設計試驗或生產定型試驗中，要對它進行全面、科學的評估[1],通過評估結果督促生產單位提高微光瞄具質量，以滿足現(xiàn)代化軍隊的使用需求[1-3]。其中微光光源模擬是微光瞄具檢測儀的重要組成設備，對微光瞄具的檢測具有重要意義。因此，需要在實驗室條件下，模擬微光環(huán)境來代替微光瞄具實際的工作環(huán)境，對微光瞄具的性能參數(shù)做出正確合理的評價[4]。目前，有關自然微光環(huán)境的模擬方法大致有暗室模擬法、局部模擬典型夜天光法和平行光管法。但是，現(xiàn)有的微光光源模擬技術大多都存在照度均勻性差、光譜匹配度低、操作復雜等缺點，這些缺點降低了微光瞄具檢測的可靠性。針對以上問題，本文開展對微光瞄具檢測儀的微光模擬控制技術研究[5-9]，為提高微光光源的光譜匹配度、照度均勻性和發(fā)光穩(wěn)定性具有重要作用[10，11]。

1 微光瞄具檢測儀光源模擬系統(tǒng)的組成

微光瞄具檢測儀的光源系統(tǒng)主要由μLED、光學系統(tǒng)、多通道恒流驅動模塊、電源模塊、人機交互模塊和光照度轉換模塊組成。系統(tǒng)的總體組成方案如圖1所示。

微光瞄具檢測儀光源模擬系統(tǒng)的主要工作過程如下：計算機通過USB通信給控制器發(fā)送指令，控制器接收指令后，通過驅動電路驅動μLED陣列發(fā)光，光線通過聚光鏡聚光，帶通濾光片，進入積分球勻光，通過可變光闌降低光照度，經過平行光管，模擬無窮遠目標，在平行光管入瞳處對光照度進行檢測，光照度計測量的光照度數(shù)值通過USB通信，將結果反饋給計算機，由計算機判斷是否符合技術指標要求，若不符合，由計算機調節(jié)輸出信號，對光源照度重新調節(jié)，直到符合技術指標為止。

圖1 光源系統(tǒng)總體組成方案Fig.1 The overall composition scheme of the light source system

2 光源模擬控制系統(tǒng)

光源控制系統(tǒng)的總體設計方案如圖2所示，當啟動按鈕按下，整個系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，然后通過計算機給主控制器發(fā)送信號，主控制器接收信號后控制多通道恒流驅動電路工作，驅動電路輸出穩(wěn)定的電流，驅動μLED陣列發(fā)光，μLED陣列發(fā)出的光線經過光學系統(tǒng)后，由光照度計檢驗，并將測試結果反饋給計算機。計算機再根據(jù)接收到的測試結果數(shù)據(jù)，判斷是否達到符合檔位要求的光照度，若沒有達到，則調整各路μLED的驅動電流，使得μLED陣列發(fā)出的光符合檔位要求的光照度；若符合，則說明光源符合技術要求。

目前調節(jié)光照度的技術有模擬調光、PWM調光、相位調光(可控硅調光)三種調光方式。(1)模擬調光：通過調節(jié)串聯(lián)電阻阻值，從而改變流經μLED的電流大小，而μLED光照度與流經μLED的電流大小成正比關系，由此起到調光作用。這種方法的缺點是μLED的色溫在不同電流下會產生漂移，影響LED燈的發(fā)光質量，同時調光范圍大概只有10∶1，并且存在較大功耗。(2)可控硅調光：利用可控硅的觸發(fā)特性制成，一般由兩只晶閘管反向連接而成，可用作斬波整流改變輸入電壓的有效值，由于可控硅調光器和μLED的兼容性較差，μLED會出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，并且調光范圍達不到0～100%，所以一般不采用。(3)PWM調光：通過一定占空比的脈寬調制信號控制單個周期內電路導通時間，進而調節(jié)流過μLED的平均電流，達到調節(jié)μLED光照度的目的，在PWM調光方式下，μLED一直處于恒流工作條件下，μLED不會出現(xiàn)色溫偏移現(xiàn)象，調光范圍寬，可達到10 000∶1的調光比，調光效果也很好。本文的微光模擬控制系統(tǒng)中，光源光照度調節(jié)需要寬調光范圍，調光方法簡單且效果好，精度要高，經過綜上討論分析后，本系統(tǒng)選用PWM的調光方式。

圖2 光源控制系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of light source control system

2.1 μLED陣列設計

利用Origin軟件中的峰擬合模塊對所需擬合曲線進行分峰擬合, 各個分峰的峰值對應的波長即為我們所選μLED的中心波長,擬合結果如圖3所示，所選取的μLED的種類和個數(shù)如表1所示，燈陣列布局模型如圖4所示，組成光源系統(tǒng)的光源模塊。

圖3 分峰擬合結果Fig.3 Peak fitting results

表1 微型LED陣列的個數(shù)

圖4 燈陣列布局模型Fig.4 Lamp array layout model

2.2 驅動電路設計

2.2.1 驅動方式的選擇

現(xiàn)有的μLED驅動方案有恒壓驅動和恒流驅動兩種方式，在恒壓驅動模式下，隨著結溫不斷升高，恒壓驅動的方式使正向電流增大，進而功耗增加，這將大大縮短 μLED 使用壽命；其次，采用恒壓驅動無法為μLED提供恒定的電流，這樣會影響μLED照度的穩(wěn)定性；在恒流驅動模式下，當結溫升高時，盡管伏安特性曲線會向左移動，但恒流電源的輸出電流始終保持不變，使得μLED陣列發(fā)光狀態(tài)保持穩(wěn)定。因此，本實驗采用恒流驅動方式。光源燈板有多路μLED組成，各路的μLED需要單獨控制，為了保證每路μLED穩(wěn)定發(fā)光，μLED 陣列不能簡單的串聯(lián)或者并聯(lián)在一起，需要設計一個多通道直流低壓可調恒流驅動電路。

2.2.2 多通道低壓直流可調恒流驅動電路設計

根據(jù)微光瞄具檢測儀對光源的發(fā)光穩(wěn)定性和照度均勻性的需求，驅動電路采用多通道低壓直流可調恒流驅動的方案。微光光源模擬系統(tǒng)中采用7種μLED組成了μLED陣列光源，對于每種μLED需要單獨控制其電流，以控制各種波長的光在總的光中所占的比例，與太陽光譜形成匹配，并且單獨控制每一種μLED會提高光源發(fā)光穩(wěn)定性，因此設計了一個7路低壓直流可調節(jié)的恒流驅動電路。

主控制芯片選取意法半導體公司的STM32103處理器作為主控，其具有豐富的外設資源，低功耗，可以產生多路的PWM波，用來對μLED燈陣進行PWM波調光。電源應采用精密低壓直流的恒流源，降低電流紋波對μLED影響，選用型號為SS_L303SPV。μLED驅動芯片選取LM3409HV，它們具有寬輸入電壓范圍，是驅動μLED負載的理想選擇，采用恒定關斷時間的方法提供較小的紋波電流，不需要額外提供外部控制環(huán)路補償就可以實現(xiàn)精確恒流。其中一個通道的驅動電路如圖5所示，恒流驅動模塊主要由 LM3409HV、Q1、電感L1、續(xù)流二極管D0、采樣電阻器RUV1、RSNS組成。MOSFET開關由一組占空比為D的信號控制，當Q1閉合時，輸入電壓通過電感L1對電容充電，此時二極管截止。當Q1關斷時，二極管(D0)變?yōu)檎蚱茫琇1放電，在兩個時間間隔內，都會向負載提供電流。

圖5 其中一個通道電路設計原理圖Fig.5 Schematic diagram of circuit design of one of the channels

輸入電壓選用VIN=35 V, μLED的工作電流為IμLED=150 mA，效率η=0.95，輸出電壓VO=30 V，電感電流紋波ΔiL-PP=0.075 A，COFF=470PF，ADJ引腳電壓VADJ=1.24 V，磁滯電壓VHYS=1.1 V,開啟閾值電壓VTURN-0N=10 V，根據(jù)以下公式計算出電路原理圖中重要參數(shù)數(shù)值。

ROFF的電阻值：

(1)

關斷時間：

(2)

電感值：

(3)

峰值電流檢測采樣電阻：

(4)

采樣電阻：

(5)

分壓電阻：

(6)

LM3409采用恒定關斷時間的系統(tǒng)架構來提供恒定的紋波，LM3409 的恒定關斷時間控制原理如圖6所示。

圖6 恒定關斷時間控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of constant off-time control

在一個開關周期開始時，開關管開通，電感電流增加，電容COFF兩端的電壓為零。當峰值電流被檢測到時,開關關斷，VO對COFF進行充電，當COFF的電壓達到門檻電壓1.24 V，關斷結束，開關管重新開通，COFF復位到零。根據(jù)原理圖，關斷時間tOFF的計算公式為

(7)

(8)

當VO>1.24 V時，tOFF近似不變，采用恒定關斷時間控制方法提供恒定的紋波，而不需額外提供外部控制環(huán)路補償就可實現(xiàn)精確恒流。這種調節(jié)方式可以大大降低電路紋波，使每一個μLED陣列穩(wěn)定發(fā)光。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設計

上位機軟件開發(fā)基于PyQt5，程序啟動后首先會顯示如圖7所示的界面。選擇端口號打開串口連接，如果連接失敗，說明與下位機的連接存在問題，也可能是端口號選擇錯誤，這種情況需要重新檢查端口連接處或者重新選擇端口號，然后點擊再次連接。串口連接成功后，根據(jù)光照需求進行操作，點擊手動調節(jié)按鈕后可以手動輸入各路的μLED 的占空比，達到手動控制μLED初始光照度的目的。點擊自動調節(jié)按鈕時，可以根據(jù)照度計上反饋回來的數(shù)值與當前系統(tǒng)所需照度的數(shù)值相比對，系統(tǒng)自行調節(jié)當前每個通道的占空比，以此來調節(jié)照度，實現(xiàn)自動調節(jié)光照度的目的。此外，界面上實時顯示當前占空比下的照度值。

圖7 上位機界面設計Fig.7 Host computer interface design

上位機并不能直接控制光源系統(tǒng)，而是將數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，通過主控制器控制光源系統(tǒng)，上位機與主控制器之間使用USB數(shù)據(jù)線連接，運用USB接口的虛擬串口功能實現(xiàn)串口通信。

光源控制系統(tǒng)主要功能控制每一路μLED陣列穩(wěn)定低照度發(fā)光，下位機軟件運行在STM32F103平臺上，主要實現(xiàn)PWM輸出和上位機通信。圖8為PWM輸出流程圖，一共產生7路的PWM波分別控制7個通道的μLED實現(xiàn)無極調光。下位機軟件運行時先初始化各個通道的PWM波占空比，然后每隔5 s從串口中讀取新的占空比，更新PWM波輸出，來控制每個通道的μLED陣列，實現(xiàn)實時調節(jié)μLED陣列的光照度。

圖8 PWM波輸出軟件流程圖Fig.8 PWM wave output software flow chart

3 系統(tǒng)測試分析

3.1 恒流驅動電路測試分析

利用STM32F103主控生成7路PWM，輸出的波形圖在示波器上顯示如圖9所示，分別驅動7通道的低壓直流可調節(jié)的恒流驅動電路，實現(xiàn)每個通道中的μLED陣列無極調光。為了測試所設計的低壓直流可調節(jié)的恒流驅動電路的輸出性能，改變7路PWM波的占空比，占空比在0～45%之間變化時，用萬用表測試電路輸出端的電流。本文以其中一路恒流驅動電路輸出為例，得到的具體數(shù)據(jù)如表2所示，占空比變化時，PWM波的調光曲線圖如圖10所示。輸出電流的大小與占空比成正比例關系，且線性關系良好，符合低壓直流可調節(jié)的恒流驅動電路設計需求。

圖9 7路PWM波輸出Fig.9 Seven-channel PWM wave output

表2 恒流驅動電路占空比與電流大小

圖10 恒流驅動電路占空比與輸出電流大小Fig.10 Constant current drive circuit duty cycle and output current

圖11 微光模擬控制系統(tǒng)實物圖Fig.11 The physical diagram of the low-light simulation control

3.2 系統(tǒng)實驗測試

光源模擬控制系統(tǒng)的實物圖如圖11所示，主要由μLED光源燈板、遮光罩、濾波片、聚光鏡、積分球、平行光管、主控制器、精密電源、弱光照度計、計算機組成。本文主要對光照度、光照均勻度、光照穩(wěn)定度進行測試，本文所采用的光照度計為杭州遠方PHOTO-2000 m弱光照度計。

3.2.1 光照度與光照均勻度測試

光照均勻度測試采用九點測試法，如圖12所示，將測試面分為9個部分，分別測量這9個部分中心的光照度，此方法既可以對光照度測試又可以對光照均勻性分析。微光光源模擬系統(tǒng)中光源的光照度一共分為4個檔位，對每個檔位下的光照度和光照不均勻度測試都采用九點測試法，得到的測試結果如表3所示。

圖12 光照均勻度測試Fig.12 Illumination uniformity test system

表3 九點法測試結果及其均勻度

利用公式

光照不均勻度=

計算出光照不均勻度如表3所示，1、2、3、4檔位對應的光照不均勻度均小于10%，光照度達到1 lx～2×10-3lx，光照度和光照均勻度均達到技術指標要求。

3.2.2 光照穩(wěn)定性測試

每隔2 min測試一次當前檔位下的光照度，一共有4個檔位，每個檔位測量時間為1 h，得到的光照穩(wěn)定度的測試曲線如圖13所示。

圖13 各個檔位光照度穩(wěn)定度測試Fig.13 Illumination stability test of each gear

根據(jù)公式

光照不均勻度=

計算1、2、3、4檔位對應的光照不穩(wěn)定度分別為1.7%、2.5%、6.7%、9.1%，說明當前測試條件下該微光模擬光源達到了穩(wěn)定度的要求。

4 總結

根據(jù)微光瞄具檢測儀對微光環(huán)境的需求，本文設計一種基于μLED的微光光源，給出光源系統(tǒng)的組成和工作原理，設計了控制系統(tǒng)方案、μLED光源陣列，選擇了光源的調光方式，設計了LM3409HV為核心的多通道恒流驅動電路，編寫了參數(shù)可調人機交互界面程序。通過對微光光源模擬系統(tǒng)的測試分析，實現(xiàn)了微光瞄具檢測儀光源系統(tǒng)模擬，其最低照度為2×10-3lx，光照不均勻度低于10%，該系統(tǒng)具有光譜范圍寬、光照度均勻、參數(shù)可調和穩(wěn)定良好等特點。滿足了微光瞄具檢測儀的光源測試需求，為微光瞄具可靠性檢測提供了更可靠的保障。