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)達國家皆由政府成立專項積極推行[1]。隨著LED應(yīng)用范圍的擴大，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、光度計等，雖然儀器有著精度高的特點，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，因此這種儀器只能停留在大型分析測試實驗，應(yīng)用范圍難以擴展。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[2]。

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)計的系統(tǒng)主要是完成這兩項參數(shù)的測試，另外通過簡單的軟硬件擴展，還可測試得到LED的相關(guān)色溫、主波長、光強分布等參數(shù)，用于LED的特性研究及驅(qū)動電路的設(shè)計等應(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

圖1 簡易LED測試裝置系統(tǒng)框圖

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)，進行數(shù)據(jù)處理，控制算法運算，顯示控制等。為了保證系統(tǒng)的實用性和易擴展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強型”系列STM32F103RCT6，32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強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，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN，在存儲容量和運算速度方面滿足要求。在本設(shè)計中，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)試時在軟件中做補償校準以確保輸出電流精度。

圖2中的運算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運算放大器，具有優(yōu)良小信號放大性能，用其驅(qū)動多種負載非常理想。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5A)，而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護，用戶可以根據(jù)需要進行精密的限流設(shè)計

2.3 光學(xué)測量模塊

圖2 恒流驅(qū)動電路原理圖

圖3 TCS3200顏色傳感器引腳和功能框圖

圖4 簡易LED光電特性測試結(jié)果

本設(shè)計中采用新型的顏色傳感器TCS3200進行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(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)動標準的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%)，不同的顏色和光強對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。

因為STM32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的引腳進行控制，顏色傳感器的輸出信號用STM32編程實現(xiàn)測頻。

3.測量數(shù)據(jù)運算及處理

STM32的軟件系統(tǒng)設(shè)計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)和計算方法，形成了奠定現(xiàn)代色度學(xué)基礎(chǔ)的CIE標準色度學(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和色品坐標表色系統(tǒng)表征。

可以用下述公式將RGB值轉(zhuǎn)為XYZ值[3]：

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)過計算就可以得到光源色度的三刺激值X，Y，Z和色品坐標x，y，z。有了色品坐標，就可以根據(jù)CIE1931標準色度系統(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)，可用于計算LED發(fā)光亮度。

從色品坐標要得到相關(guān)色溫（CCT，Correlated Color Temperature）有很多種方法，其中近似公式法運算簡單，便于實現(xiàn)，精度也可滿足一般要求，當3000K＜CCT＜15000K時，采用如下公式[4]：

4.實驗結(jié)果

應(yīng)用上述電路，設(shè)計了簡易的LED光電特性測試裝置，并用一些紅、綠、黃、藍、白等各色LED進行了測試，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行了校準，用照度計對亮度測試進行了校準。實驗結(jié)果表明，通過硬件調(diào)整和軟件補償，結(jié)果誤差可以控制在5%以內(nèi)，達到實用目標。

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)計了簡易的LED光電特性裝置，用于測試LED的伏安特性，發(fā)光強度，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。實驗結(jié)果表明，測試精度達到實用要求，本文方案可行。

[1]大谷義彥,夏晨.LED照明現(xiàn)狀與未來展望[J].中國照明電器,2007(06):20-24.

[2]楊睿.光源色度快速測量方法探討[J].光機電信息,2011,8(02):12-16.

[3]Sensing color with the TAOS TCS230,Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc.

[4]McCamy.Calvin S.Correlated color temperature as an explicit function of chromaticity coordinates[J].Color Research & Application,1991,17(2):142-144.