PWM 数字可调均匀光源的设计

范伟军，张 浩，上官景仕，余桂英

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州310018）

1 引 言

在影像测量工件基本尺寸的过程中，检测工件轮廓需要采用下照明，光源的均匀性和适中的光强是非常重要的指标［1］，不均匀的光源会造成不均匀的反射。光源较弱时，图像上的噪声增强、光圈加大、景深减少；光源较强时，图像亮度失真，给后期图像处理以及数据分析带来不便，有必要设计一种精确数字可调的均匀光源，适用于二维光学测量系统［2］。其中LED 阵列和导光板可以得到均匀的光源，LED 作为第四代照明光源，和传统光源相比，其集成了高效率、低能耗、长寿命、低污染等诸多优点，是未来理想的替代光源［3］。

为了保证在测量中有好的照明环境，应设计出具有较理想亮度和照明均匀度的LED 阵列。环形阵列可以显示被测物体边缘和高度变化，突出难以看清的部分，是边缘检测和损伤检测的理想阵列方式。将LED 阵列设计成中央视场直径2cm 内的环形阵列。其控制器接收来自上位机的命令和参数，经过处理，由驱动电路控制LED光源按照设定实现PWM 调光。

本文设计了一种基于PWM 数字可调的均匀光源系统，系统分为LED 均匀光源的设计、LED驱动电路的设计。LED 均匀光源的设计是通过正交实验法计算出LED 的数量（4～12 个）和倾角（35～45°）等设计出一套均匀光源，LED 驱动电路的设计通过控制器程序控制D／A 转换输出模拟电压，输入恒流源驱动LED。

2 LED 均匀光源的仿真与设计

作为照明光源，要求在照明区域内具有一定的均匀光通量和照度。但单颗LED 的功率很小，所以采用LED 的曲线阵列形式，保证中央视场直径2cm 内获得较理想的亮度和照明均匀度［4］。

正交实验设计是利用正交表来安排与分析多因素实验的一种方法。从实验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行实验，对这部分实验结果分析，全面了解实验的情况，找出最优的水平组合。

LED阵列式照明系统，影响照明效果的因素有LED 数量、LED 环 形 曲 线 半 径、LED 倾 角、发光面与照射目标面的距离等［5］。因为所需视场直径2cm，而环形阵列半径为3cm 时符合设计要求，因此确定LED 的数量与倾角，以及其与目标平面的距离为正交实验因素，选用6因素5水平的正交表（正交表L9（34）），取前四列，如表1所示。经反复尝试，最终确定因素水平：LED 数量在8～12 之间，光源距目标面距离2.5～6.5 mm，LED 倾角在35～45°［3］。

表1 LED照明方案正交实验表Tab.1 LED lighting solutions orthogonal table

表中均匀性为目标面上中心直径为2cm 的最小照度与最大照度的比值。第16和23组实验均匀性较好，其照度分布如图1和2所示，在Φ20mm的 范 围 内 照 明 均 匀 性 达 到 了72.803 1% 和86.410 3%。

但第16组的照明强度有所不足，在各因素水平下均匀性波动较大，故可确定LED 数量为12粒，同理算出各因素在不同水平下均匀性如表2所示。

图1 16组曲线阵列光照图Fig.1 The 16th figure curve array illumination

结合表1和表2作图分析确定LED 曲线阵列半径为3.5cm 时，在中心获得直径为2cm 的均匀光强视场。LED 倾角变化时，光源的均匀性处在较好水平，且波动较小，为便于设计设定倾角为45°。发光面与照射目标面的距离在2～3.5 mm 变化时，均匀性相对较好。

图2 23组曲线阵列光照图Fig.2 The 23th figure curve array illumination

表2 各因素在不同水平下均匀性Tab.2 Uniformity of factors at different levels of uniformity

3 LED 驱动电路总体设计

为提高光源稳定性，设计一种高精度可调的均匀光源驱动电路，以单片机为核心，通过D／A转换输出模拟电压，输入到恒流源电路驱动LED［7］。其控制系统框图如图3所示，系统包括PC机软件、RS232串口、STC89C52、DAC0808数模转换模块、恒流源电路等［8］。

3.1 单片机控制器与D／A 转换电路接口

系统单片机选用STC89C52，是八位高性能MCU，该芯片采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2～4 个时钟周期，6 倍于标准80C51器件。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样降低了功耗和EMI［9］。电路设计中，STC89C52的P2.0－P2.7与DAC0808的A1－A8脚相连用于发送控制码。数模转换电路如图4所示［10］。

8位并行数模转换器DAC0808，该芯片功耗低，精度为0.019 53V，满足LED 光强控制要求，它的片内高精度输出放大器支持轨对轨的输出，A1～A8 是并行数据输入端，通过它接收控制码。DAC的VREF端输入的电压基准为5V，输出电压如式（1）所示，实现了256级可调。

图3 控制系统框图Fig.3 Block diagram of control system

图4 系统数模转换电路图Fig.4 Circuit diagram of the digital－analog conversion system

式中：A1～A8是单片机接收上位机发给DAC 的控制码。

3.2 恒流源电路

控制器发出的每一个控制码都对应D／A 输出的一个恒定电流的电流源，经高增益运放转换为电压输入到恒流源电路中。如图5所示为恒流源电路，该电路属于电流串联负反馈的拓扑结构，反馈组态能稳定输出电流。在电流源电路中，Vin是前级DAC 输出的控制电压信号，其范围是0～5V。电路中采用的集成运放LM358内部包括有两个独立、高增益、内部频率补偿的运算放大器。LM358内部运放1的输出电压经电阻R1反馈至反相输入端，构成同相比例电路。功率三极管与运放的基极相连，用来增加驱动电流。在LM358的同相端输入电压恒定时由于负反馈的存在，保证了LM358输出电压恒定，从而使流经LED 负载的电流为恒定电流，且耗能少，延长灯具［11］。

图5 恒流源电路Fig.5 Constant current source circuit

4 通信程序设计

通信程序是烧写到STC89C52 中的下位机程序，串口通信采用方式1，其波特率由定时器1的溢出率控制。与串口通信有关的寄存器主要是SCON，其中SM0和SM1确定串口的工作方式，TI和RI是串口发送和接收的标志位，重要的一点是这两个标志位不能自动清零，需要通过软件清零的方式清零。还有一位就是REN（允许接收控制位），只有当REN＝1时才允许接收RXD 上的串行数据；若REN＝0，则禁止接收。

为方便软件的设计，定时器1的工作方式选择方式2，为可自动重新装载的8 位计数器。只要给定时器的高位和低位设置一样的初值，就可以方便的控制串口通信的波特率。由此可以设置SCON 的值为0x50。

单片机采用内部时钟电路，外接11.059 2 MHz的晶振。当定时器采用方式2工作时，对于定时器初值X 可以通过式（2）得到，其中SMOD是PCON 寄存器中的一位，在计算时直接影响结果。

当设定波特率为9 600b／s并且SMOD＝0时，计算的定时器初值为0xfd。

图6 通信程序流程图Fig.6 Communication program flow chart

单片机与上位机通信程序流程图如图6 所示，用查询方式接收和发送数据，不停的检测发送标志位（TI）和接收标志位（RI）有没有置1，如果置1，则检测缓冲区中的数据并将其取出，发送到相应的I／O 口，同时将此时I／O 口的数据发送到缓冲区用以返回单片机I／O 口的工作状态。

5 LED 均匀光源实验验证

利用光学显微影像测量系统，在所设计的LED 环形阵列光源上方的测量平台上放置导光毛玻璃。考虑实际测试情况，在最小放大倍率0.7倍以及最大放大倍率4.5 倍两种极端情况下，采集观测面上的均匀照明图像，通过上位机亮度调节软件调节光源亮度级别分别为60、120、240、255，并分别采集这四级亮度的数字图像，对其进行图像处理，并用中值滤波算法滤除图像采集过程中的椒盐噪声干扰，研究验证设计的均匀面光源的均匀性。

图7 放大倍率0.7图像中值滤波后的三维图Fig.7 Three dimensional picture of image median filtering at 0.7×

图8 放大倍率4.5图像中值滤波后的三维图Fig.8 Three dimensional picture of image median filtering at 4.5×

在放大倍率为0.7，亮度级别为240时，所采集图像经处理后，显示三维图如图7所示。

在放大倍率为4.5，亮度级别为240时，所采集图像经处理后，显示三维图如图8所示。

以此类推，在同一倍率下，调整亮度级别采集图像，研究图像均匀性，实验数据如表3所示。

表3 采集图像均匀性的结果Tab.3 Results of collected image uniformity

从表3中数据可知，在光学显微镜相同放大倍率的情况下，图像亮度随着数字信号的增大而增大，在4.5倍率时其图像亮度较倍率0.7有所下降，分析原因可能是由于在增加放大倍率的过程中，随着CCD 摄像头的移动，使进入摄像头的光通量减少，导致图像变暗，同时在放大倍率增大时，由于导光毛玻璃本身的导光性能不佳，使所采集图像的均匀性变差。光照面均匀性符合设计要求，可满足显微影像测量需要。

6 结 论

设计了基于PWM 的光源系统，完成了对均匀光源、LED 驱动电路、控制器程序的设计，实现了光源的均匀可调。系统稳定性好，测试数据有效，完全符合实际影像测量中的要求。实验系统在最小放大倍率0.7倍以及最大放大倍率4.5倍下，检测4个级别的光强均匀性都达到了83%以上。实验结果证明，系统稳定可靠，可以广泛的用于实际影像测量。

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