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采用LED模拟调光的机器视觉辨认系统电路设计指南

来源:新能源网
时间:2015-08-04 20:13:50
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采用LED模拟调光的机器视觉辨认系统电路设计指南由于发光二级管技术的不断发展,正逐步地应用于信号、显示、照明和机器视觉辨认等各种领域。而常用的LED亮度控制方式主要是模拟调光和数字

由于发光二级管技术的不断发展,正逐步地应用于信号、显示、照明和机器视觉辨认等各种领域。而常用的LED亮度控制方式主要是模拟调光和数字调光(PWM)。   比起现有的模拟调光,数字调光能取得一个更高的调光比和电流精度,应用更为广泛。在普通照明中,PWM调光的开关频率一般在几百到几千赫兹之间,可以有效的避免人眼可见的闪烁。但在机器视觉辨认和工业检验等领域,由于使用的高速摄像机和传感器响应速度速度比人眼快很多,因此在这些领域使用PWM调光必须增加开关频率到几十千甚至更高,实现较为复杂,而模拟调光却没有这方面的问题。   本文通过可变降压和线性调光的两级电路实现了高效、准确、高动态范围的模拟调光输出,并使用TI的C2430 芯片来实现输出亮度调节和无线控制的功能,特别适合用于上述的机器视觉辨认等高响应速率的应用场合。   高动态范围模拟调光电路   常见的LED恒流电路有以下两种: 线性恒流电路和开关恒流电路。线性恒流电路通过监控采样电阻上的电压,动态地调节三极管的导通程度,控制电流,并将输入电压高于LED串电压的部分承担。而开关恒流电路则在其不同拓扑结构下,调节开关导通的占空比来调节输出,同样得到恒流的效果。相比而言,如果输入电压和灯串电压差别较大时,在大电流下线性电路三极管的压降会造成较大的功率损耗,导致较低的效率。   具体电路设计   现有的开关电源控制芯片也有提供模拟调光功能,但是调光比都很小,一般在几十左右,是作为PWM调光的一个补充,这个调光比和前述机器视觉辨认的要求差距较大。针对上述情况,本文重新对线性恒流电路进行了改进,在这部分电路前增加了可变降压电路,用于匹配输入电压和LED灯串电压,提高效率;同时使用高精度的D/A来控制电流输出,得到一个较高的模拟调光比。整个电路系统结构如图3,在AC/DC电源的输出总线上可以挂载多于一路的可调恒流电路,通过ZigBee模块进行输出电流控制,保证每一路输出的电流准确,可调。   电路分析:可变降压电路的输入使用AC/DC电源提供的48V总线,这部分电路根据后接的LED颗数多少和输出电流大小,动态调节输出,使其输出电压和LED灯串电压的差额保持较小的水平,从而减小大电流下三极管的损耗。这里使用LM5010降压芯片来搭建可变降压电路,LM5010是一个恒定导通时间的Buck控制芯片。R1和R2组成电压反馈电路,将输出电压进行分压后输入至FB脚上。每当FB脚上电压低于2.5V时,芯片内部的开关会固定的导通一段时间,导通时间与输入电压和Ron有关,之后开关会关断265ns或直至FB脚上电压下降到2.5V以下。   电路通过(R1+R2)/R2·VFB来设定最大输出电压。另一方面,为了降低在三极管的功率损耗,我们同时监测采集三极管和采样电阻的压降和,并使用LM358进行正向放大后通过D2输入到FB脚上。因此在三极管和采样电阻上的压降总和就不会大于Vdrop=(VFB+VD2)×R3/(R3+R4)。因此当LED灯串上的电压小于LM5010的最大输出电压时,多余的电压就会由三极管和采样电阻承担,当这个电压经过放大后大于FB脚的阈值时,LM5010 延长开关关断时间,使输出电压下降,因此最终的Vout=Vled+Vdrop。从而在LED颗数比设计值少或者在对LED进行调光时,前端输出的电压能够更合理的匹配灯串电压。   图4中三极管的基极旁边的方块便是电流控制电路。电流主要是通过AnalogDevice的AD5611来控制,这是一款10位的数模转换芯片,使用基准电源的输出直接供电,上位机CC2430可以使用SPI接口进行输出电压的编程。   芯片的输出和采样电阻上的电压分别接到LM358的5和6脚,运放作为开环放大器来使用。放大器将两个输入的偏差进行放大来控制三极管导通程度,进而控制LED串的电流,并最终使开环输入的两个电压相等,此时满足下式:Rsen×ILED=VA/D·R6/(R5+R6)。电路中的R5和R6主要是将A/D转换器的输出电压进行分压,以便能使用更小的采样电阻,提高效率。考虑到D/A芯片的位数和整体的精度,本文中的线性电流控制电路能做到500∶1的输出电流比。   针对LED应用于机器视觉辨认等特殊场合,提出了一种基于ZibBee控制的高动态范围LED模拟调光装置,一种异于高频PWM的调光方法。设计通过对原有线性电源的改进,增加了可变降压电路,提高了其工作效率。电路中同时使用了CC2430芯片实现电流控制和无线遥控的功能,配合着ZigBee无线网关便可实现远程调光控制。