王 磊，朱 可，王 軍,，何 昕

(1. 蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009;2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

傳統(tǒng)固化行業(yè)采用高壓汞燈快速固化，但污染嚴(yán)重，逐漸被LED燈所取代。傳統(tǒng)檢測LED光功率采用的是積分法，采用固定時(shí)間段內(nèi)檢測光能量除以固定時(shí)間得到平均光功率。此方法采集的光能量存在采集誤差，求得平均值后的光功率也只能表示固定時(shí)間段內(nèi)光功率的平均值，與實(shí)時(shí)值存在誤差；在軟件除法處理中存在誤差，進(jìn)一步擴(kuò)大了誤差。

為提高光功率計(jì)的精確度，本文采用光電傳感器轉(zhuǎn)換的紫光信號，經(jīng)過負(fù)反饋電流放大、差分放大和濾波電路，并通過24位高精度AD芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，結(jié)合遞推平均濾波法和中位值平均濾波算法得到精確的光功率值，并在LCD上顯示實(shí)時(shí)數(shù)值和測量曲線。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的光照功率計(jì)誤差低于0.3%，具有功耗低、系統(tǒng)穩(wěn)定、顯示界面友好的優(yōu)點(diǎn)，可以存儲測量數(shù)據(jù)，顯示光功率曲線。

2 總體設(shè)計(jì)

高精度光照功率計(jì)包括前端光照采集、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲和顯示4部分。光電傳感器將光轉(zhuǎn)換成微弱電流信號，經(jīng)過負(fù)反饋電流放大電路、差分放大和濾波電路轉(zhuǎn)換成電壓信號[1-2]，經(jīng)過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主控制器通過數(shù)字濾波將數(shù)據(jù)存儲，并將功率值實(shí)時(shí)顯示在屏幕。按鍵可以切換顯示界面內(nèi)容?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of system

圖2 光照前端采集電路圖Fig.2 Circuit diagram of optical collection

3 功率計(jì)硬件設(shè)計(jì)

3.1 校零光檢測前段采集電路設(shè)計(jì)

在圖2(b)所示電路中，硅光傳感器D2將光轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過R1精密電阻和U2放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電流放大電路后輸出(Vout)b，且

(Vout)b=-(ID2×R1)，

(1)

系統(tǒng)電壓噪聲頻譜密度為(1 μA電流轉(zhuǎn)1 V信號)：

(2)

其中電阻熱噪聲：

(3)

其中：k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度[3]，由式(2)得系統(tǒng)電壓噪聲頻譜密度為：

由于采集探頭存在環(huán)境光的暗電流，所以為提高采集精度，需要將暗電流消除。圖2中(a)部分在(c)部分的差分放大電路的負(fù)端接入一個(gè)可編程的DA芯片輸出可調(diào)電壓以消除探頭中的暗電流，實(shí)現(xiàn)校零功能。經(jīng)過運(yùn)算放大后(Vout)c:

(4)

其中：V環(huán)境為軟件校零DA輸出的電壓，濾除環(huán)境光中的暗電流噪聲。

3.2 24位高精度采集電路設(shè)計(jì)

24位高精度AD采集芯片具有單端采集、差分采集等多種模式，傳統(tǒng)的單端采集一端接入處理后的電壓信號，一端接地，但是此方法接地回路干擾較大、抗環(huán)境共模干擾能力較低，所以采用差分采集模式?？删幊藺D芯片設(shè)置采集增益為1，更新速率為4.17 Hz時(shí)，均方根噪聲為40 nV。將圖2(c)部分輸出的(Vout)c單端電路轉(zhuǎn)為圖3差分電路,圖中R2=R3、R1=R4、R6=R7、R5=R8，從而差分電壓兩端輸出電壓為：

(V)+=(Vout)c+1.25，

(5)

(V)-=-(Vout)c+1.25，

(6)

MSP430主控制器通過SPI接口配置AD7793[4]，并且讀取差分轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

圖3 單端轉(zhuǎn)差分采集電路圖Fig.3 Circuit diagram of differential acquisition

4 功率計(jì)軟件設(shè)計(jì)

4.1 AD采集及校零算法設(shè)計(jì)

在環(huán)境光下，由于暗電流，硅光傳感器輸出存在環(huán)境噪聲，通過AD采集，此時(shí)會在顯示屏上顯示一個(gè)環(huán)境光功率，通過校零，MSP430主控制會通過DA產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)的電壓，通過減法電路，濾除環(huán)境光帶來的暗電流，循環(huán)執(zhí)行直到在檢測環(huán)境下顯示屏上顯示實(shí)時(shí)功率為0完成校零[5-7]，流程圖如圖4所示。

圖4 校零流程圖Fig.4 Flowchart of check to 0

4.2 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

本文融合遞推和中位值平均濾波算法的優(yōu)點(diǎn)，有效抑制周期性干擾，且平滑度較好。將連續(xù)采集的N個(gè)光功率P看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列長度固定為N。每次采樣到一個(gè)新的紫光功率Pn數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，去掉隊(duì)首的Pn-10。然后將{Pn-9,Pn-8,…,Pn}N個(gè)功率P進(jìn)行冒泡排序，去掉Pmax和Pmin，再將隊(duì)列中的N-2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算:

(7)

就可獲得當(dāng)前功率值,流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字濾波流程圖Fig.5 Flowchart of digital filter

4.3 LCD曲線平滑算法設(shè)計(jì)

直接將光功率值顯示，曲線尖銳，而實(shí)際應(yīng)用中光功率的測量變化趨勢更為重要，采用Savitzky-Golay濾波器[8]將測量值濾波后曲線顯示平滑。采集到的光功率值P(N)中連續(xù)的一組數(shù)據(jù)為P(n)，其中n=-M,-(M-1),…,0,…,M-1,M。將這組數(shù)據(jù)濾波后得到y(tǒng)(n)，確定式(8)中a0,a1,…aT系數(shù)可確定y(n)多項(xiàng)式：

(8)

直接計(jì)算多項(xiàng)式的所有系數(shù)比較復(fù)雜，由于式(8)中y(0)=a0，為降低MSP430運(yùn)算復(fù)雜度，減小功耗，只需求a0系數(shù)求出P(i)數(shù)據(jù)中心值P(0)的擬合值y(0)。然后將選取的P(i)當(dāng)作一個(gè)“窗口”往右平移求中心值，最終得到P(N)濾波后的數(shù)據(jù)y(N)。y(N)與P(N)存在擬合誤差，設(shè)總的誤差平方和為

(9)

為使擬合曲線誤差最小，令E對各系數(shù)的導(dǎo)數(shù)為0，即

(10)

(11)

在實(shí)際過程中，根據(jù)多次嘗試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T=3，M=3時(shí)效果最佳，從而得：

(12)

將擬合出的值通過畫點(diǎn)函數(shù)在LCD屏幕上顯示[0]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文前端采集電路與傳統(tǒng)法對比，通過示波器可以看出，圖6光電傳感器信號放大濾波后，信號穩(wěn)定，紋波小于20 mV,有效濾除了環(huán)境噪聲；而圖7傳統(tǒng)法信號紋波高達(dá)100 mV，包含有50 mV環(huán)境噪聲。

圖6 本設(shè)計(jì)放大濾波后信號Fig.6 Waveform of our amplification filter

圖7 傳統(tǒng)放大濾波后信號Fig.7 Waveform of traditional amplification filter

在相同測試環(huán)境下，用傳統(tǒng)法牛尾的檢測儀器和本測試法的儀器對同一個(gè)面光源在不同強(qiáng)度下進(jìn)行檢測，所得數(shù)據(jù)如表1所示。從測試數(shù)據(jù)中可知，牛尾的測試值總是比光譜儀測的實(shí)際值大，這是由于其中的環(huán)境噪聲未濾除所導(dǎo)致，而本文所測的數(shù)據(jù)與標(biāo)稱值誤差小于0.3%，兩種測試數(shù)據(jù)與標(biāo)稱值對比誤差如圖8所示。

圖8 面光源不同強(qiáng)度下檢測數(shù)據(jù)及誤差分布圖Fig.8 Graph of two detecting methods under different luminance error

表1 同一光源不同強(qiáng)度兩種檢測方法測得數(shù)據(jù)

Tab.1 Results of two detecting methods under different luminance with LED (mW·cm-2)

光源強(qiáng)度本設(shè)計(jì)傳統(tǒng)法146146157232232242301301314382383393460459469532532545599598612680682700737736753805807823

為消除測試的偶然誤差，同一測試環(huán)境下，同一面光源，針對232，460，680 mW/cm2三個(gè)代表性強(qiáng)度，兩個(gè)檢測儀器分別檢測10，30，50次，所得測試數(shù)據(jù)平均值如表2所示，誤差曲線如圖9所示。測試數(shù)據(jù)可知校零光檢測前段采集電路能夠消除環(huán)境噪聲，并且精度高，誤差小。

表2 同一光強(qiáng)不同強(qiáng)度兩種檢測方法多次測的數(shù)據(jù)平均值

Tab.2 Average value of two detecting methods under different luminance with LED (mW·cm-2)

LED光源強(qiáng)度測試次數(shù)本設(shè)計(jì)平均值傳統(tǒng)法平均值10231.4241.223230232.5243.250231.8242.910460.8470.246030459.1469.450459.3469.810681.9697.268030681.5700.750681.7699.4

圖9 面光源不同強(qiáng)度下多次檢測數(shù)據(jù)誤差分布圖Fig.9 Graph of two detecting methods under different luminance and repeatedly detecting error

圖10 未濾波曲線Fig.10 Waveform without filter

圖11 濾波后曲線Fig.11 Waveform with filter

針對存儲一次檢測的數(shù)據(jù)在LCD上模擬出曲線，圖10是直接將數(shù)據(jù)顯示在LCD上，圖11是將數(shù)據(jù)經(jīng)過Savitzky-Golay數(shù)字濾波器后顯示的LCD。對比可看出曲線明顯平滑，并且曲線特性也顯示在LCD上。

6 結(jié) 論

經(jīng)過多次測量數(shù)據(jù)對比，本設(shè)計(jì)采用的環(huán)境噪聲濾除、負(fù)反饋電流放大前置采集電路能有效濾除環(huán)境噪聲；采用的24位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換和多數(shù)字濾波器相融合的方法能顯著提高光源光功率的采集精度和穩(wěn)定度，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)LED光功率測量領(lǐng)域。