本文介紹了以基于Cortex-M3內(nèi)核的32位為控制核心，外接可控恒流源電路和顏色傳感器等部件，組成了簡易的特性測試裝置，結(jié)構(gòu)簡潔，成本低廉，在LED特性的研究上有較高的實(shí)用價值。
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1.引言
LED(Light-EMItting-Diode)，即發(fā)光二極管，以其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，成為新一代照明光源。各國政府均大力扶持白光LED的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國家皆由政府成立專項(xiàng)積極推行。隨著LED應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量也有了更高的要求，不僅要求其發(fā)光亮度和波長等光特性具有一致性，對其正向工作電壓和電流等電特性也有嚴(yán)格的要求。因此，研究LED光電參數(shù)的測試儀器，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有著重要的意義。
專用的LED光電特性測試設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是光學(xué)特性測試要用到光譜儀、光度計(jì)等，雖然儀器有著精度高的特點(diǎn)，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積較大，攜帶和使用很不方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到限制等缺點(diǎn)，因此這種儀器只能停留在大型分析測試實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用范圍難以擴(kuò)展。
研制一種小體積、低價格，精度雖不很高，但能滿足一般性要求的LED光電測量儀器成為目前儀器發(fā)展的一個趨勢。
雖然LED的光電特性參數(shù)很多，但對大多數(shù)用戶來說，主要是關(guān)心LED伏安特性及LED發(fā)光亮度與電流的關(guān)系，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是完成這兩項(xiàng)參數(shù)的測試，另外通過簡單的軟硬件擴(kuò)展，還可測試得到LED的相關(guān)色溫、主波長、光強(qiáng)分布等參數(shù)，用于LED的特性研究及驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)等應(yīng)用開發(fā)。
2.系統(tǒng)原理與組成
整個系統(tǒng)主要由STM32微處理器，光學(xué)測量模塊，恒流驅(qū)動模塊，LCD液晶顯示模塊，按鍵控制模塊等組成，如圖1所示。
由按鍵或LCD上的觸摸屏控制STM32微處理器，內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生控制電壓，該電壓控制外部的恒流驅(qū)動電路產(chǎn)生LED工作所需的恒定電流加到待測LED上，LED上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)信號放大調(diào)整電路后被STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集，從而測得LED的伏安特性。另外，通過光學(xué)測量模塊測量LED發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由STM32采集處理，從而測得LED的發(fā)光亮度等光學(xué)特性。
2.1 STM32微處理器
微處理器是整個控制系統(tǒng)的核心，它控制恒流驅(qū)動電路輸出設(shè)定的電流，采集LED的電壓，測量光學(xué)測量模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，顯示控制等。為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和易擴(kuò)展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72MHz,內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，16路12位的ADC和2路12位的DAC,3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN,在存儲容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。在本設(shè)計(jì)中，采用STM32自身的ADC和DAC模塊，極大的降低了系統(tǒng)成本。
2.2 恒流驅(qū)動電路
恒流驅(qū)動電路的核心是V / I轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示，Vin是STM32內(nèi)部D/A輸出的電壓，RL是負(fù)載，即待測的LED,Rs為電流取樣電阻，用于控制輸出電流的大小，U1是大功率運(yùn)算放大器。
由圖2可知，若電阻R1和R2比Rs和RL大得多，則在理想情況下可得到
由公式2 可見， 輸出電流與負(fù)載無關(guān)，在固定取樣電阻Rs的情況下，輸出電流與輸入控制電壓成正比。但在應(yīng)用中要注意，兩個輸入電阻R3和R4及兩個反饋電阻R1和R2必須嚴(yán)格匹配，否則會帶來較大誤差。Rs也要采用精密功率電阻。另外也可以在系統(tǒng)調(diào)試時在軟件中做補(bǔ)償校準(zhǔn)以確保輸出電流精度。
圖2中的運(yùn)算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運(yùn)算放大器，具有優(yōu)良小信號放大性能，用其驅(qū)動多種負(fù)載非常理想。電源電壓(+VS~-VS)60V,可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小。可連續(xù)輸出3A大電流(峰值電流高達(dá)5A)，而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護(hù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行精密的限流設(shè)計(jì)2.3 光學(xué)測量模塊
本設(shè)計(jì)中采用新型的顏色傳感器TCS3200進(jìn)行LED光學(xué)特性的測量，能夠同時測量LED發(fā)光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。
TCS3200的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。圖3是TCS3200的引腳和功能框圖。
當(dāng)入射光投射到TCS3200上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器;經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波;還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1,選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。
因?yàn)镾TM32工作頻率較高，因此將S0和S1直接接高電位，使輸出比例因子為100%.S2和S3利用STM32的引腳進(jìn)行控制，顏色傳感器的輸出信號用STM32編程實(shí)現(xiàn)測頻。
3.測量數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理
STM32的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要包括液晶顯示，按鍵處理，DAC控制，ADC控制，顏色傳感器控制及計(jì)數(shù)測量，這些模塊都比較簡單，在此不再贅述，下面主要介紹一下LED光學(xué)特性測量的數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理程序。
物體顏色的定量度量是一個涉及觀察者的視覺生理、視覺心理、照明條件以及觀測條件等諸多因素的復(fù)雜問題。CIE(國際照明委員會)從1931年開始發(fā)布了一系列色度學(xué)系統(tǒng)，規(guī)定了一整套顏色測量的原理、數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，形成了奠定現(xiàn)代色度學(xué)基礎(chǔ)的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)CIE的推薦，光源的色度可采用三刺激值X,Y,Z和色品坐標(biāo)表色系統(tǒng)表征。
可以用下述公式將RGB值轉(zhuǎn)為XYZ值：
色品坐標(biāo)同三刺激值的關(guān)系是：
通過顏色傳感器TCS3200測量構(gòu)成光源色度的三基色的比例，得到R,G,B值，經(jīng)過計(jì)算就可以得到光源色度的三刺激值X,Y,Z和色品坐標(biāo)x,y,z.有了色品坐標(biāo)，就可以根據(jù)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)得到光源的亮度，主波長，色純度，相關(guān)色溫等參數(shù)值。式3中的Y值相應(yīng)于人眼中對亮度的響應(yīng)，可用于計(jì)算LED發(fā)光亮度。
從色品坐標(biāo)要得到相關(guān)色溫(CCT,Correlated Color Temperature)有很多種方法，其中近似公式法運(yùn)算簡單，便于實(shí)現(xiàn)，精度也可滿足一般要求，當(dāng)3000K
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
應(yīng)用上述電路，設(shè)計(jì)了簡易的LED光電特性測試裝置，并用一些紅、綠、黃、藍(lán)、白等各色LED進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖4.圖4(a)為不同顏色LED的伏安特性曲線，圖4(b)為不同顏色LED的發(fā)光亮度與電流的關(guān)系。從圖中可以看出，LED電流隨電壓變化很快，而發(fā)光亮度與電流基本上是線性關(guān)系。這可以作為設(shè)計(jì)LED驅(qū)動電路的參考依據(jù)。另外，用Keithley2612高精度源表對伏安特性進(jìn)行了校準(zhǔn)，用照度計(jì)對亮度測試進(jìn)行了校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過硬件調(diào)整和軟件補(bǔ)償，結(jié)果誤差可以控制在5%以內(nèi)，達(dá)到實(shí)用目標(biāo)。
5.結(jié)束語
本文利用STM32微處理器為核心，顏色傳感器為主要部件，設(shè)計(jì)了簡易的LED光電特性裝置，用于測試L E D的伏安特性，發(fā)光強(qiáng)度，相關(guān)色溫，主波長等LED特性。整個系統(tǒng)簡潔，智能，成本低廉，在某些LED的研究和應(yīng)用領(lǐng)域可以代替昂貴的光譜分析儀等專用設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測試精度達(dá)到實(shí)用要求，本文方案可行。