賀肖影, 段 潔,2, 王勁松

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)博士后流動(dòng)站，吉林 長(zhǎng)春 130022)

引言

微光瞄具在定型設(shè)計(jì)試驗(yàn)或生產(chǎn)定型試驗(yàn)中，要對(duì)它進(jìn)行全面、科學(xué)的評(píng)估[1],通過(guò)評(píng)估結(jié)果督促生產(chǎn)單位提高微光瞄具質(zhì)量，以滿(mǎn)足現(xiàn)代化軍隊(duì)的使用需求[1-3]。其中微光光源模擬是微光瞄具檢測(cè)儀的重要組成設(shè)備，對(duì)微光瞄具的檢測(cè)具有重要意義。因此，需要在實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬微光環(huán)境來(lái)代替微光瞄具實(shí)際的工作環(huán)境，對(duì)微光瞄具的性能參數(shù)做出正確合理的評(píng)價(jià)[4]。目前，有關(guān)自然微光環(huán)境的模擬方法大致有暗室模擬法、局部模擬典型夜天光法和平行光管法。但是，現(xiàn)有的微光光源模擬技術(shù)大多都存在照度均勻性差、光譜匹配度低、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)降低了微光瞄具檢測(cè)的可靠性。針對(duì)以上問(wèn)題，本文開(kāi)展對(duì)微光瞄具檢測(cè)儀的微光模擬控制技術(shù)研究[5-9]，為提高微光光源的光譜匹配度、照度均勻性和發(fā)光穩(wěn)定性具有重要作用[10，11]。

1 微光瞄具檢測(cè)儀光源模擬系統(tǒng)的組成

微光瞄具檢測(cè)儀的光源系統(tǒng)主要由μLED、光學(xué)系統(tǒng)、多通道恒流驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊和光照度轉(zhuǎn)換模塊組成。系統(tǒng)的總體組成方案如圖1所示。

微光瞄具檢測(cè)儀光源模擬系統(tǒng)的主要工作過(guò)程如下：計(jì)算機(jī)通過(guò)USB通信給控制器發(fā)送指令，控制器接收指令后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)μLED陣列發(fā)光，光線(xiàn)通過(guò)聚光鏡聚光，帶通濾光片，進(jìn)入積分球勻光，通過(guò)可變光闌降低光照度，經(jīng)過(guò)平行光管，模擬無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)，在平行光管入瞳處對(duì)光照度進(jìn)行檢測(cè)，光照度計(jì)測(cè)量的光照度數(shù)值通過(guò)USB通信，將結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)判斷是否符合技術(shù)指標(biāo)要求，若不符合，由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)，對(duì)光源照度重新調(diào)節(jié)，直到符合技術(shù)指標(biāo)為止。

圖1 光源系統(tǒng)總體組成方案Fig.1 The overall composition scheme of the light source system

2 光源模擬控制系統(tǒng)

光源控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下，整個(gè)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)給主控制器發(fā)送信號(hào)，主控制器接收信號(hào)后控制多通道恒流驅(qū)動(dòng)電路工作，驅(qū)動(dòng)電路輸出穩(wěn)定的電流，驅(qū)動(dòng)μLED陣列發(fā)光，μLED陣列發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，由光照度計(jì)檢驗(yàn)，并將測(cè)試結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)再根據(jù)接收到的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，判斷是否達(dá)到符合檔位要求的光照度，若沒(méi)有達(dá)到，則調(diào)整各路μLED的驅(qū)動(dòng)電流，使得μLED陣列發(fā)出的光符合檔位要求的光照度；若符合，則說(shuō)明光源符合技術(shù)要求。

目前調(diào)節(jié)光照度的技術(shù)有模擬調(diào)光、PWM調(diào)光、相位調(diào)光(可控硅調(diào)光)三種調(diào)光方式。(1)模擬調(diào)光：通過(guò)調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻阻值，從而改變流經(jīng)μLED的電流大小，而μLED光照度與流經(jīng)μLED的電流大小成正比關(guān)系，由此起到調(diào)光作用。這種方法的缺點(diǎn)是μLED的色溫在不同電流下會(huì)產(chǎn)生漂移，影響LED燈的發(fā)光質(zhì)量，同時(shí)調(diào)光范圍大概只有10∶1，并且存在較大功耗。(2)可控硅調(diào)光：利用可控硅的觸發(fā)特性制成，一般由兩只晶閘管反向連接而成，可用作斬波整流改變輸入電壓的有效值，由于可控硅調(diào)光器和μLED的兼容性較差，μLED會(huì)出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，并且調(diào)光范圍達(dá)不到0～100%，所以一般不采用。(3)PWM調(diào)光：通過(guò)一定占空比的脈寬調(diào)制信號(hào)控制單個(gè)周期內(nèi)電路導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)流過(guò)μLED的平均電流，達(dá)到調(diào)節(jié)μLED光照度的目的，在PWM調(diào)光方式下，μLED一直處于恒流工作條件下，μLED不會(huì)出現(xiàn)色溫偏移現(xiàn)象，調(diào)光范圍寬，可達(dá)到10 000∶1的調(diào)光比，調(diào)光效果也很好。本文的微光模擬控制系統(tǒng)中，光源光照度調(diào)節(jié)需要寬調(diào)光范圍，調(diào)光方法簡(jiǎn)單且效果好，精度要高，經(jīng)過(guò)綜上討論分析后，本系統(tǒng)選用PWM的調(diào)光方式。

圖2 光源控制系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall block diagram of light source control system

2.1 μLED陣列設(shè)計(jì)

利用Origin軟件中的峰擬合模塊對(duì)所需擬合曲線(xiàn)進(jìn)行分峰擬合, 各個(gè)分峰的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為我們所選μLED的中心波長(zhǎng),擬合結(jié)果如圖3所示，所選取的μLED的種類(lèi)和個(gè)數(shù)如表1所示，燈陣列布局模型如圖4所示，組成光源系統(tǒng)的光源模塊。

圖3 分峰擬合結(jié)果Fig.3 Peak fitting results

表1 微型LED陣列的個(gè)數(shù)

圖4 燈陣列布局模型Fig.4 Lamp array layout model

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇

現(xiàn)有的μLED驅(qū)動(dòng)方案有恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)兩種方式，在恒壓驅(qū)動(dòng)模式下，隨著結(jié)溫不斷升高，恒壓驅(qū)動(dòng)的方式使正向電流增大，進(jìn)而功耗增加，這將大大縮短 μLED 使用壽命；其次，采用恒壓驅(qū)動(dòng)無(wú)法為μLED提供恒定的電流，這樣會(huì)影響μLED照度的穩(wěn)定性；在恒流驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，盡管伏安特性曲線(xiàn)會(huì)向左移動(dòng)，但恒流電源的輸出電流始終保持不變，使得μLED陣列發(fā)光狀態(tài)保持穩(wěn)定。因此，本實(shí)驗(yàn)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。光源燈板有多路μLED組成，各路的μLED需要單獨(dú)控制，為了保證每路μLED穩(wěn)定發(fā)光，μLED 陣列不能簡(jiǎn)單的串聯(lián)或者并聯(lián)在一起，需要設(shè)計(jì)一個(gè)多通道直流低壓可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)電路。

2.2.2 多通道低壓直流可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)微光瞄具檢測(cè)儀對(duì)光源的發(fā)光穩(wěn)定性和照度均勻性的需求，驅(qū)動(dòng)電路采用多通道低壓直流可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)的方案。微光光源模擬系統(tǒng)中采用7種μLED組成了μLED陣列光源，對(duì)于每種μLED需要單獨(dú)控制其電流，以控制各種波長(zhǎng)的光在總的光中所占的比例，與太陽(yáng)光譜形成匹配，并且單獨(dú)控制每一種μLED會(huì)提高光源發(fā)光穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)7路低壓直流可調(diào)節(jié)的恒流驅(qū)動(dòng)電路。

主控制芯片選取意法半導(dǎo)體公司的STM32103處理器作為主控，其具有豐富的外設(shè)資源，低功耗，可以產(chǎn)生多路的PWM波，用來(lái)對(duì)μLED燈陣進(jìn)行PWM波調(diào)光。電源應(yīng)采用精密低壓直流的恒流源，降低電流紋波對(duì)μLED影響，選用型號(hào)為SS_L303SPV。μLED驅(qū)動(dòng)芯片選取LM3409HV，它們具有寬輸入電壓范圍，是驅(qū)動(dòng)μLED負(fù)載的理想選擇，采用恒定關(guān)斷時(shí)間的方法提供較小的紋波電流，不需要額外提供外部控制環(huán)路補(bǔ)償就可以實(shí)現(xiàn)精確恒流。其中一個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，恒流驅(qū)動(dòng)模塊主要由 LM3409HV、Q1、電感L1、續(xù)流二極管D0、采樣電阻器RUV1、RSNS組成。MOSFET開(kāi)關(guān)由一組占空比為D的信號(hào)控制，當(dāng)Q1閉合時(shí)，輸入電壓通過(guò)電感L1對(duì)電容充電，此時(shí)二極管截止。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，二極管(D0)變?yōu)檎蚱?，L1放電，在兩個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，都會(huì)向負(fù)載提供電流。

圖5 其中一個(gè)通道電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.5 Schematic diagram of circuit design of one of the channels

輸入電壓選用VIN=35 V, μLED的工作電流為IμLED=150 mA，效率η=0.95，輸出電壓VO=30 V，電感電流紋波ΔiL-PP=0.075 A，COFF=470PF，ADJ引腳電壓VADJ=1.24 V，磁滯電壓VHYS=1.1 V,開(kāi)啟閾值電壓VTURN-0N=10 V，根據(jù)以下公式計(jì)算出電路原理圖中重要參數(shù)數(shù)值。

ROFF的電阻值：

(1)

關(guān)斷時(shí)間：

(2)

電感值：

(3)

峰值電流檢測(cè)采樣電阻：

(4)

采樣電阻：

(5)

分壓電阻：

(6)

LM3409采用恒定關(guān)斷時(shí)間的系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)提供恒定的紋波，LM3409 的恒定關(guān)斷時(shí)間控制原理如圖6所示。

圖6 恒定關(guān)斷時(shí)間控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of constant off-time control

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，電感電流增加，電容COFF兩端的電壓為零。當(dāng)峰值電流被檢測(cè)到時(shí),開(kāi)關(guān)關(guān)斷，VO對(duì)COFF進(jìn)行充電，當(dāng)COFF的電壓達(dá)到門(mén)檻電壓1.24 V，關(guān)斷結(jié)束，開(kāi)關(guān)管重新開(kāi)通，COFF復(fù)位到零。根據(jù)原理圖，關(guān)斷時(shí)間tOFF的計(jì)算公式為

(7)

(8)

當(dāng)VO>1.24 V時(shí)，tOFF近似不變，采用恒定關(guān)斷時(shí)間控制方法提供恒定的紋波，而不需額外提供外部控制環(huán)路補(bǔ)償就可實(shí)現(xiàn)精確恒流。這種調(diào)節(jié)方式可以大大降低電路紋波，使每一個(gè)μLED陣列穩(wěn)定發(fā)光。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)基于PyQt5，程序啟動(dòng)后首先會(huì)顯示如圖7所示的界面。選擇端口號(hào)打開(kāi)串口連接，如果連接失敗，說(shuō)明與下位機(jī)的連接存在問(wèn)題，也可能是端口號(hào)選擇錯(cuò)誤，這種情況需要重新檢查端口連接處或者重新選擇端口號(hào)，然后點(diǎn)擊再次連接。串口連接成功后，根據(jù)光照需求進(jìn)行操作，點(diǎn)擊手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕后可以手動(dòng)輸入各路的μLED 的占空比，達(dá)到手動(dòng)控制μLED初始光照度的目的。點(diǎn)擊自動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕時(shí)，可以根據(jù)照度計(jì)上反饋回來(lái)的數(shù)值與當(dāng)前系統(tǒng)所需照度的數(shù)值相比對(duì)，系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)當(dāng)前每個(gè)通道的占空比，以此來(lái)調(diào)節(jié)照度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)光照度的目的。此外，界面上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前占空比下的照度值。

圖7 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)Fig.7 Host computer interface design

上位機(jī)并不能直接控制光源系統(tǒng)，而是將數(shù)據(jù)傳輸給主控制器，通過(guò)主控制器控制光源系統(tǒng)，上位機(jī)與主控制器之間使用USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，運(yùn)用USB接口的虛擬串口功能實(shí)現(xiàn)串口通信。

光源控制系統(tǒng)主要功能控制每一路μLED陣列穩(wěn)定低照度發(fā)光，下位機(jī)軟件運(yùn)行在STM32F103平臺(tái)上，主要實(shí)現(xiàn)PWM輸出和上位機(jī)通信。圖8為PWM輸出流程圖，一共產(chǎn)生7路的PWM波分別控制7個(gè)通道的μLED實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)光。下位機(jī)軟件運(yùn)行時(shí)先初始化各個(gè)通道的PWM波占空比，然后每隔5 s從串口中讀取新的占空比，更新PWM波輸出，來(lái)控制每個(gè)通道的μLED陣列，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)μLED陣列的光照度。

圖8 PWM波輸出軟件流程圖Fig.8 PWM wave output software flow chart

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

3.1 恒流驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試分析

利用STM32F103主控生成7路PWM，輸出的波形圖在示波器上顯示如圖9所示，分別驅(qū)動(dòng)7通道的低壓直流可調(diào)節(jié)的恒流驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道中的μLED陣列無(wú)極調(diào)光。為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的低壓直流可調(diào)節(jié)的恒流驅(qū)動(dòng)電路的輸出性能，改變7路PWM波的占空比，占空比在0～45%之間變化時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)試電路輸出端的電流。本文以其中一路恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出為例，得到的具體數(shù)據(jù)如表2所示，占空比變化時(shí)，PWM波的調(diào)光曲線(xiàn)圖如圖10所示。輸出電流的大小與占空比成正比例關(guān)系，且線(xiàn)性關(guān)系良好，符合低壓直流可調(diào)節(jié)的恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)需求。

圖9 7路PWM波輸出Fig.9 Seven-channel PWM wave output

表2 恒流驅(qū)動(dòng)電路占空比與電流大小

圖10 恒流驅(qū)動(dòng)電路占空比與輸出電流大小Fig.10 Constant current drive circuit duty cycle and output current

圖11 微光模擬控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.11 The physical diagram of the low-light simulation control

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

光源模擬控制系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖11所示，主要由μLED光源燈板、遮光罩、濾波片、聚光鏡、積分球、平行光管、主控制器、精密電源、弱光照度計(jì)、計(jì)算機(jī)組成。本文主要對(duì)光照度、光照均勻度、光照穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)試，本文所采用的光照度計(jì)為杭州遠(yuǎn)方PHOTO-2000 m弱光照度計(jì)。

3.2.1 光照度與光照均勻度測(cè)試

光照均勻度測(cè)試采用九點(diǎn)測(cè)試法，如圖12所示，將測(cè)試面分為9個(gè)部分，分別測(cè)量這9個(gè)部分中心的光照度，此方法既可以對(duì)光照度測(cè)試又可以對(duì)光照均勻性分析。微光光源模擬系統(tǒng)中光源的光照度一共分為4個(gè)檔位，對(duì)每個(gè)檔位下的光照度和光照不均勻度測(cè)試都采用九點(diǎn)測(cè)試法，得到的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

圖12 光照均勻度測(cè)試Fig.12 Illumination uniformity test system

表3 九點(diǎn)法測(cè)試結(jié)果及其均勻度

利用公式

光照不均勻度=

計(jì)算出光照不均勻度如表3所示，1、2、3、4檔位對(duì)應(yīng)的光照不均勻度均小于10%，光照度達(dá)到1 lx～2×10-3lx，光照度和光照均勻度均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2.2 光照穩(wěn)定性測(cè)試

每隔2 min測(cè)試一次當(dāng)前檔位下的光照度，一共有4個(gè)檔位，每個(gè)檔位測(cè)量時(shí)間為1 h，得到的光照穩(wěn)定度的測(cè)試曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 各個(gè)檔位光照度穩(wěn)定度測(cè)試Fig.13 Illumination stability test of each gear

根據(jù)公式

光照不均勻度=

計(jì)算1、2、3、4檔位對(duì)應(yīng)的光照不穩(wěn)定度分別為1.7%、2.5%、6.7%、9.1%，說(shuō)明當(dāng)前測(cè)試條件下該微光模擬光源達(dá)到了穩(wěn)定度的要求。

4 總結(jié)

根據(jù)微光瞄具檢測(cè)儀對(duì)微光環(huán)境的需求，本文設(shè)計(jì)一種基于μLED的微光光源，給出光源系統(tǒng)的組成和工作原理，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)方案、μLED光源陣列，選擇了光源的調(diào)光方式，設(shè)計(jì)了LM3409HV為核心的多通道恒流驅(qū)動(dòng)電路，編寫(xiě)了參數(shù)可調(diào)人機(jī)交互界面程序。通過(guò)對(duì)微光光源模擬系統(tǒng)的測(cè)試分析，實(shí)現(xiàn)了微光瞄具檢測(cè)儀光源系統(tǒng)模擬，其最低照度為2×10-3lx，光照不均勻度低于10%，該系統(tǒng)具有光譜范圍寬、光照度均勻、參數(shù)可調(diào)和穩(wěn)定良好等特點(diǎn)。滿(mǎn)足了微光瞄具檢測(cè)儀的光源測(cè)試需求，為微光瞄具可靠性檢測(cè)提供了更可靠的保障。