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。