采用LED模擬調(diào)光的機(jī)器視覺辨認(rèn)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)指南

　　由于發(fā)光二級(jí)管技術(shù)的不斷發(fā)展，正逐步地應(yīng)用于信號(hào)、顯示、照明和機(jī)器視覺辨認(rèn)等各種領(lǐng)域。而常用的LED 亮度控制方式主要是模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光（ PWM）。比起現(xiàn)有的模擬調(diào)光，數(shù)字調(diào)光能取得一個(gè)更高的調(diào)光比和電流精度，應(yīng)用更為廣泛。在普通照明中，PWM 調(diào)光的開關(guān)頻率一般在幾百到幾千赫茲之間，可以有效的避免人眼可見的閃爍。但在機(jī)器視覺辨認(rèn)和工業(yè)檢驗(yàn)等領(lǐng)域，由于使用的高速攝像機(jī)和傳感器響應(yīng)速度速度比人眼快很多，因此在這些領(lǐng)域使用PWM調(diào)光必須增加開關(guān)頻率到幾十千甚至更高，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，而模擬調(diào)光卻沒有這方面的問題。本文通過可變降壓和線性調(diào)光的兩級(jí)電路實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確、高動(dòng)態(tài)范圍的模擬調(diào)光輸出，并使用TI 的C2430芯片來實(shí)現(xiàn)輸出亮度調(diào)節(jié)和無線控制的功能，特別適合用于上述的機(jī)器視覺辨認(rèn)等高響應(yīng)速率的應(yīng)用場合。

　　高動(dòng)態(tài)范圍模擬調(diào)光電路

　　常見的LED 恒流電路有以下兩種：線性恒流電路和開關(guān)恒流電路。線性恒流電路通過監(jiān)控采樣電阻上的電壓，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通程度，控制電流，并將輸入電壓高于LED 串電壓的部分承擔(dān)。而開關(guān)恒流電路則在其不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的占空比來調(diào)節(jié)輸出，同樣得到恒流的效果。相比而言，如果輸入電壓和燈串電壓差別較大時(shí)，在大電流下線性電路三極管的壓降會(huì)造成較大的功率損耗，導(dǎo)致較低的效率。

　　具體電路設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的開關(guān)電源控制芯片也有提供模擬調(diào)光功能，但是調(diào)光比都很小，一般在幾十左右，是作為PWM 調(diào)光的一個(gè)補(bǔ)充，這個(gè)調(diào)光比和前述機(jī)器視覺辨認(rèn)的要求差距較大。針對(duì)上述情況，本文重新對(duì)線性恒流電路進(jìn)行了改進(jìn)，在這部分電路前增加了可變降壓電路， 用于匹配輸入電壓和LED 燈串電壓，提高效率; 同時(shí)使用高精度的D /A 來控制電流輸出，得到一個(gè)較高的模擬調(diào)光比。整個(gè)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，在AC /DC 電源的輸出總線上可以掛載多于一路的可調(diào)恒流電路，通過ZigBee 模塊進(jìn)行輸出電流控制，保證每一路輸出的電流準(zhǔn)確，可調(diào)。

　　電路分析：可變降壓電路的輸入使用AC /DC 電源提供的48V 總線，這部分電路根據(jù)后接的LED 顆數(shù)多少和輸出電流大小， 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出， 使其輸出電壓和LED 燈串電壓的差額保持較小的水平，從而減小大電流下三極管的損耗。這里使用LM5010 降壓芯片來搭建可變降壓電路，LM5010 是一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間的Buck 控制芯片。R1 和R2 組成電壓反饋電路，將輸出電壓進(jìn)行分壓后輸入至FB 腳上。每當(dāng)FB 腳上電壓低于2. 5V 時(shí)，芯片內(nèi)部的開關(guān)會(huì)固定的導(dǎo)通一段時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓和Ron有關(guān)， 之后開關(guān)會(huì)關(guān)斷265ns 或直至FB 腳上電壓下降到2. 5V 以下。電路通過（R1 + R2） /R2·VFB來設(shè)定最大輸出電壓。另一方面，為了降低在三極管的功率損耗，我們同時(shí)監(jiān)測采集三極管和采樣電阻的壓降和， 并使用LM358 進(jìn)行正向放大后通過D2 輸入到FB 腳上。因此在三極管和采樣電阻上的壓降總和就不會(huì)大于Vdrop = （ VFB + VD2） × R3 / （ R3 + R4）。因此當(dāng)LED燈串上的電壓小于LM5010 的最大輸出電壓時(shí)，多余的電壓就會(huì)由三極管和采樣電阻承擔(dān)，當(dāng)這個(gè)電壓經(jīng)過放大后大于FB 腳的閾值時(shí)，LM5010延長開關(guān)關(guān)斷時(shí)間，使輸出電壓下降，因此最終的Vout =Vled + Vdrop。從而在LED 顆數(shù)比設(shè)計(jì)值少或者在對(duì)LED 進(jìn)行調(diào)光時(shí)，前端輸出的電壓能夠更合理的匹配燈串電壓。

　　圖4 中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路。電流主要是通過AnalogDevice 的AD5611 來控制，這是一款10 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，使用基準(zhǔn)電源的輸出直接供電，上位機(jī)CC2430 可以使用SPI 接口進(jìn)行輸出電壓的編程。芯片的輸出和采樣電阻上的電壓分別接到LM358 的5和6 腳，運(yùn)放作為開環(huán)放大器來使用。放大器將兩個(gè)輸入的偏差進(jìn)行放大來控制三極管導(dǎo)通程度，進(jìn)而控制LED 串的電流，并最終使開環(huán)輸入的兩個(gè)電壓相等，此時(shí)滿足下式： Rsen × ILED = VA /D·R6 / （ R5+ R6）。電路中的R5 和R6 主要是將A /D 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行分壓，以便能使用更小的采樣電阻，提高效率?？紤]到D /A 芯片的位數(shù)和整體的精度，本文中的線性電流控制電路能做到500 ∶ 1 的輸出電流比。

　　針對(duì)LED 應(yīng)用于機(jī)器視覺辨認(rèn)等特殊場合，提出了一種基于ZibBee 控制的高動(dòng)態(tài)范圍LED 模擬調(diào)光裝置，一種異于高頻PWM 的調(diào)光方法。設(shè)計(jì)通過對(duì)原有線性電源的改進(jìn)，增加了可變降壓電路，提高了其工作效率。電路中同時(shí)使用了CC2430 芯片實(shí)現(xiàn)電流控制和無線遙控的功能，配合著ZigBee 無線網(wǎng)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)光控制。