基于照明缺陷的光源照明系统图像检测控制电路设计

李嘉贤

摘 要： 在目前的机器视觉应用系统中，光源与照明是整个系统的关键问题，不同照明方式都存在一定的缺陷特征。为了满足图像采集检测精度要求，针对不同照明方式缺陷特征，设计光源图像检测控制电路。采用单片机开关电源芯片作为主控芯片，设计LED光源图像检测背光控制电路，由电压转换、恒流控制以及背光调整等电路部分组成，电路结构简洁，简化电路设计。经过测试，控制电路效率高，满足图像采集需求。

关键词： 照明缺陷； 控制线路； 图像采集； 照明系统

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0101?03

Design of image detection and control circuit for light?source illumination system according to illumination defect

LI Jiaxian

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Eastern Liaoning University， Dandong 118001， China）

Abstract： The light source and illumination in current machine vision application system are the keys of the whole system， but all the illumination modes exist certain defect characteristics. In order to meet the requirements of image acquisition and detection accuracy， the light?source image detection and control circuit was designed to deal with the defect characteristics of different illumination modes. The SCM switching power chip is taken as the main control chip to design the image detection backlight control circuit of LED light?source. The circuit is composed of voltage conversion， constant current control， backlight adjustment， and other circuits. The circuit structure is simply， and can simplify the circuit design. The test results show that the control circuit is efficient， and can meet the requirements of image acquisition.

Keywords： illumination defect； control circuit； image acquisition； illuminating system

0 引 言

自动光学检测系统集图像处理、数控精确定位为一体，受缺陷检测系统中视野的影响，在系统检测中要求多次采集图像，实现精确控制；而且在不同照明条件下，特征也不一致；因此需要设计图像控制电路，以便得到最好的图像质量。目前市场中存在多种背光控制电路，但是多需要直流电源供电，系统设计过于复杂，存在很大的能量消耗。本文基于照明缺陷，设计了高效LED控制电路，直接产生直流电压。

1 LED光学原理

LED是指发光二极管，将电能转化为光能，在工作中需要外加电源。外加电场作用下，伴随不同光辐射，以较高能量辐射出200～1 550 nm可见光。不同材料和结构LED发射光颜色不同。照明领域中，LED采用磷化铝、磷化镓等材料合金，发出的光主要为红色、黄色，采用氮化镓做合金材料，发出的光主要是白色、蓝色以及绿色。

2 背光控制电路设计

MCU控制器选择28引脚闪存单片机，时钟频率为16 MHz，整个系统控制流程为开始→初始化→读取3D控制信号→3D标志位→2DPWMI调光→2D保护（3D扫描方式调光）→关闭电源（3D保护）→（关闭电源），能够实现前段3D控制信号抓取。信号高时，进入3D状态，检测同步上升沿背光灯条，打开背光，保证图像与背光的同步进行。信号低时，设计为2D模式，同步调整背光信号，实时监控MCU灯条低压端。

采用LD7523为主控制芯片，经过必要整流后与开关变压器整合，在外围电路控制下转换电压。电路中电压反馈、背光调整等环节都由分立元件组成，减少了元器件。恒流电路图设计如图1所示，检测电路电压，得到不同状态下的电流，R3上的电压较高时作为3D采样参考电平，较低时作为2D电流采样电平。限定R2上的电平和电流，设定LED电流。

在电流增大情况下，反相输入端电平增高，三极管V1基极电平降低，减小LED电流。在电流减少的情况下，R2电压变小，三极管V1基极电平升高，增大LED电流。如此循环，保持LED电流的稳定性。

MCU供电电压为3.3 V，2D状态下，MCU芯片产生低电平状态，在PWMIN增高时，输出高阻态，串联电阻R7产生分压压降，以R7上的电压为恒流参考电平，LED恒流模式打开LED。PWMIN较低时，输出低电平，相当于接地，电阻R4接地，此时电阻R7无电压压降，恒流关闭LED，实现调光控制。在3D状态下，IN信号为高电平，判断输出状态，PWMIN高信号下，PWMI输出VDD高电平，此时电阻R4串联两个电平，无电流，R7产生较高压降，自恒流模块中R3输入端得不到电压，实现3D状态下调光控制。

在反馈部分电路设计中，保护电路通过外围R10和R11之间压差实现，如图2所示，在灯条短路等异常情况下，R10，R11分压值为0，I/O端能够检测出电压异常，进而将异常电压信号发出，关闭电源保护电路。如果同时出现正负短路情况，设计中设定为电压值升高，因此同样能够检测出信号进而关闭电源。采用MCU反馈设计电路，能够检测R10，R11电压，得出比较小的一路，设计设定值。小于设定值时，调整MCU占空比，得出电压较小的值，如果检测值高于正常时，则调高MCU占空比，实现反馈。

整个电源与控制系统由滤波电路、校正电路和控制驱动部分等组成，如图3所示，AC100是市电输入信号，将信号转变为能够接收的直流信号，PFC模块提高功率因数，提高功率。拓扑模块能够为伴音提供16 V供电。PFC电路采用软开关技术，电源效率大大提高，不存在EMI问题，提供了稳定电压。控制电路直接驱动灯串，能够检测反馈情况，及时调整电流，并参与部分故障监测。

开关电源本身存在电磁干扰，开关电路包括MOS管、变压器等，MOS工作中漏极和源级电压会出现较大变化，产生辐射干扰。开关电路在MOS导通时，变压器电流存在磁化冲击电流瞬变脉冲，MOS管断开时，电压尖刺很大，形成尖峰衰减震荡，产生电磁干扰。整流电路中次级电路采用二极管，虽然消耗小，但是容易出现电磁干扰。开关电路MOS有较大电流时，会引起发热问题，在高频情况下出现特性，另外开关电源高频工作时，变压器线圈间产生电容，引起干扰。30 MHz以下频率为主要传导干扰，在实际工作中，元器件一般都存在杂散参数，在高频工作状态下，元器件的本身特性更加明显，严重影响耦合等效电路，出现较大干扰。

针对电源板自身存在的问题，需要设计电磁兼容性。采用软开关技术减少开关电源本身的干扰，电压为零时，实现ZVS，电流为零时，关闭MOS，减少开关损耗。采用调制开关频率技术，电源工作中各个设备都存在自己的固定频率，在底噪比较高时，调试芯片开关频率降低，转移其他频率段EMI能量，实现各个频率段的调节，不危害电网设备安全。采用滤波处理掉不想要的高频传导信号，抑制150 kHz～30 MHz频率，允许市电通过，调整电感和电容值，消减频率段EMI。在抗干扰设计中同时采用PCB抗干扰设计，降低电路板内部的干扰，在开关电源设计中，根据产品内部结构确定端口时，根据电源模块之间位置，整体布局电路板，注意布线走线，根据布线关系，尽量缩短长度，避免影响高频信号，并减少芯片与电解地距离，提高供电安全性。选择噪声较小的器件，将连接漏极变压器缠绕在最里层，减少辐射值。

在安全性设计中，电路系统安全性是重要指标之一。漏电流存在很大安全隐患，依照国家相关规定，Y电容容值设计在2 200 pF以下，并采用聚酯膜电容材料，保证在瞬态尖峰击穿失去滤波效果。设计防潮、防烟雾等设计，并进行焊接、调试和验证。考虑到交流信号进入到电源板后，保险丝是第一个元器件，很容易受到恶劣环境影响，因此将反激电路作为第一个开关电源，具有过功率保护功能。

3 电路测试

可靠性测试包括浪涌测试、降额测试和安全测试等。浪涌测试，在雷电天气下，电网容易混进高压脉冲，依照相关标准需要对设计电路进行浪涌测试，测试条件和结果如表1所示。

降额测试让元器件在低于设定额度值条件下工作，测试电源板，电源驱动板相关功率器件共组状况正常，满足电降额要求。对电源板二极管、灯条端子等进行安全测试，故障后能够进入到保护状态。

电磁干扰测试，包括传导干扰和辐射干扰。将电源样机放入MFC暗室进行传导干扰测试，依照国家标准要求天线与机器距离，进行水平方向测试，传导干扰测试结果如图4所示，传导干扰值很小。

4 结 语

本文涉及LED光源控制电路，克服了原有技术中存在功能少、控制效果不佳的缺点，转换效率更高，设计电路结构简单、效果好，能够灵活调整光源，为图像采集提供更加理想的选择，在驱动应用中，调光、保护等操作能够根据袭击需求进行改进，避免了每次都需要更改硬件电路的麻烦，同时能够自行设计触发时间，有效避免干扰。

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