基于ZibBee控制的高動(dòng)態(tài)范圍LED模擬調(diào)光裝置設(shè)計(jì)

    摘要：針對(duì)LED 應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)等特殊場(chǎng)合，本文提出了一種基于ZibBee 控制的高動(dòng)態(tài)范圍LED 模擬調(diào)光裝置，提供了一種異于高頻PWM 的調(diào)光方法。設(shè)計(jì)通過(guò)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，并實(shí)現(xiàn)了500∶ 1的高動(dòng)態(tài)范圍模擬調(diào)光。電路中同時(shí)使用了CC2430 芯片實(shí)現(xiàn)電流控制和無(wú)線遙控的功能，配合著ZigBee 無(wú)線網(wǎng)關(guān)便可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)光控制。

　　1 引言

　　由于發(fā)光二級(jí)管( LED) 技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 由于其光效高， 響應(yīng)速度快， 亮度調(diào)節(jié)范圍廣，正逐步地應(yīng)用于信號(hào)，顯示，照明和機(jī)器視覺(jué)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(kāi)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(jiàn)的閃爍。但在機(jī)器視覺(jué)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(kāi)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(méi)有這方面的問(wèn)題。

　　本文通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)輸出亮度調(diào)節(jié)和無(wú)線控制的功能，特別適合用于上述的機(jī)器視覺(jué)辨認(rèn)等高響應(yīng)速率的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　2 高動(dòng)態(tài)范圍模擬調(diào)光電路

　　2. 1 概述

　　常見(jiàn)的LED 恒流電路有以下兩種: 線性恒流電路和開(kāi)關(guān)恒流電路。線性恒流電路通過(guò)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(kāi)關(guān)恒流電路則在其不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的占空比來(lái)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。

圖1 線性恒流電路

圖2 開(kāi)關(guān)恒流電路

　　2. 2 具體電路設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)有的開(kāi)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(jué)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(lái)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(guò)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)。

圖3 電路結(jié)構(gòu)示意圖[!--empirenews.page--]

　　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。這里本文使用NationalSemiconductor 公司的LM5010 降壓芯片來(lái)搭建可變降壓電路，原理圖見(jiàn)圖4:

圖4 使用LM5010 搭建的可變降壓電路

　　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(kāi)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(kāi)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(guò)(R1 + R2) /R2·VFB來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)放大后大于FB 腳的閾值時(shí)，LM5010 延長(zhǎng)開(kāi)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，具體見(jiàn)表1 和表2。

表2 13 顆LED 在不同輸出電流下的可變降壓電路輸出和LED 燈串電壓比較

　　圖4 中三極管的基極旁邊的方塊便是電流控制電路，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖5。電流主要是通過(guò)AnalogDevice 的AD5611 來(lái)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(kāi)環(huán)放大器來(lái)使用。放大器將兩個(gè)輸入的偏差進(jìn)行放大來(lái)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(kāi)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。考慮到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。

圖5 利用AD5611 搭建的模擬調(diào)光電路[!--empirenews.page--]

　　3 ZigBee 控制及監(jiān)測(cè)

　　3. 1 硬件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線通信控制模塊使用的是Texas Instruments的CC2430-F128 芯片， 這款芯片專門針對(duì)IEEE802. 15. 4 和ZigBee 應(yīng)用。芯片內(nèi)部結(jié)合了一個(gè)CC2420 無(wú)線電內(nèi)核， 增強(qiáng)的8051MCU，128KB的系統(tǒng)可編程閃存，8KB 的SRAM，8 路8 ～ 14 位的ADC，4 個(gè)定時(shí)器，2 個(gè)串行通信接口模塊，AES 協(xié)同處理器，看門狗定時(shí)器，上電復(fù)位電路，掉電檢測(cè)電路和21 個(gè)通用IO 口，如圖6 所示。

圖6 CC2430 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　如圖3 所示，CC2430 芯片通過(guò)AC /DC 電源供電，并承擔(dān)著輸出電流控制和電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的功能。

　　供電時(shí)通過(guò)maxim 的max5033 開(kāi)關(guān)芯片降為5V，再由TPS79533 降為穩(wěn)定的3. 3V 進(jìn)行供電。電流控制是通過(guò)SPI 接口和前述的AD5611 進(jìn)行通訊， 根據(jù)期望的輸出電流值來(lái)相應(yīng)調(diào)節(jié)D /A 的輸出電壓。需要注意的是，在輸出電流很低的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)輸入AD5611 的數(shù)字值和最后輸出的電流值不成線性比例的情況，這是由于此時(shí)D /A 輸出電壓過(guò)小，受到D /A 轉(zhuǎn)換誤差、線路壓降等影響較大，需在程序中進(jìn)行修正。

　　而監(jiān)控電路見(jiàn)圖7， 本文中， 芯片通過(guò)兩路ADC 分別對(duì)AC /DC 的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行監(jiān)控。電壓的監(jiān)控是通過(guò)R11 和R12 電阻進(jìn)行分壓，之后又P0. 7 腳進(jìn)行采樣。電流的監(jiān)控是通過(guò)MAX4080 芯片，這是一塊固定增益的高端電流探測(cè)芯片，可以直接在高壓端取電，假設(shè)增益為A，那么P0. 6 腳進(jìn)行ADC 轉(zhuǎn)換得到的電壓和監(jiān)控的電流之間的關(guān)系見(jiàn)下式:

　　通過(guò)內(nèi)部程序的轉(zhuǎn)換就可得到實(shí)際的電流。同時(shí)本文在AC /DC 電路和后端的恒流驅(qū)動(dòng)電路之間加入了一個(gè)繼電器U2，由CC2430 的P0. 5 腳進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，可以在必要的時(shí)候切斷恒流部分的供電。

圖7 電壓、電流監(jiān)控的電路圖

　　3. 2 軟件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的裝置主要分布在距離主控制器不同距離的幾個(gè)位置，每個(gè)位置各有不同數(shù)量的裝置，由于每個(gè)位置處的裝置都相距不遠(yuǎn)，裝置之間也沒(méi)有信息交互，因此就直接采用星狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｍ負(fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，位于整個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中心的是ZigBee 無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)起著與主控制計(jì)算機(jī)通信和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能。而本文所述的調(diào)光裝置則是作為ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收無(wú)線網(wǎng)關(guān)的調(diào)光和查詢指令，作出相應(yīng)的調(diào)光和狀態(tài)反饋。

　　調(diào)光裝置內(nèi)部的終端節(jié)點(diǎn)工作流程如下: 終端節(jié)點(diǎn)首先等待無(wú)線網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)，之后申請(qǐng)加入該個(gè)域網(wǎng)，等待協(xié)調(diào)器分配16 位的短地址，申請(qǐng)通過(guò)之后進(jìn)入綁定流程， 將終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器進(jìn)行綁定。由于每次網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)分配的短地址具有隨機(jī)性，因此在設(shè)備內(nèi)部另外固化了個(gè)體識(shí)別地址，用于表示所處的地域和序號(hào)。之后終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待狀態(tài)，并定時(shí)監(jiān)控自身的電壓電流參數(shù)，并將可能出現(xiàn)的異常上報(bào)。當(dāng)主控計(jì)算機(jī)想要對(duì)單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)調(diào)光時(shí)，就會(huì)對(duì)特定的ZigBee 無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包，包含有調(diào)光類型，ZigBee 個(gè)體識(shí)別地址和調(diào)光數(shù)值，之后特定的終端節(jié)點(diǎn)便能接收到無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)協(xié)調(diào)器傳達(dá)的命令數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI 接口向A /D 轉(zhuǎn)換器傳達(dá)，最終調(diào)節(jié)電流到特定的值。

圖8 調(diào)光系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　4 總結(jié)

　　針對(duì)某些應(yīng)用高速傳感器的需要調(diào)光的場(chǎng)合，本文對(duì)LED 線性驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，加入了可變降壓電路，提高了線性驅(qū)動(dòng)電路的效率，并實(shí)現(xiàn)了500∶ 1 的模擬調(diào)光。同時(shí)使用ZigBee 芯片實(shí)現(xiàn)調(diào)光，狀態(tài)監(jiān)測(cè)和無(wú)線控制，作為節(jié)點(diǎn)給遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了有力的支持。