CN103837813A

CN103837813A - 一种便携式led光电参数快速检测系统

Info

Publication number: CN103837813A
Application number: CN201410085100.9A
Authority: CN
Inventors: 陈苗根; 裘燕青
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了一种便携式LED光电参数快速检测系统，包括光参数检测模块、电参数测试模块及人机界面模块，所述电参数测试模块和人机界面模块分别由Cotex-M3芯片作为处理器，光参数检测模块与电参数测试模块之间通过CAN总线连接，且仅传输经光参数检测模块计算后得到的色度学参数，最后电参数测试模块将光电参数一并传递至人机界面模块进行显示。光学成像系统采用交叉非对称成像系统，结合高灵敏度、低成本的线阵CCD作为光传感器，实现了从350-1000nm范围的快速光谱测量，电参数测试模块采用M3芯片，设计了可程控的恒流恒压源，以及正向电压和反向漏电流测量电路，配合AD转换电路，获得相应电学参数数值。

Description

一种便携式LED光电参数快速检测系统

技术领域

本发明属于光电检测仪器领域，尤其是LED测试领域，具体涉及一种便携式LED光电参数快速检测系统。

背景技术

随着LED产业的不断壮大，对LED的质量要求也越来越高。在LED的发展历程中，由于早期的LED多应用于电子产品指示灯，而且多以单个器件出现，所以对于其亮度的控制和波长的分选要求并不高。但是，随着LED光效和亮度的不断提高，其应用范围不断扩大。当LED被用作阵列和显示屏的显示器件时，如果不经过测试与分选，由于多个LED的光电参数存在着差异，波长和亮度必然存在着较大的离散型和不均匀性。LED光电参数测量系统是LED分选设备的核心，直接决定了LED分选的速度和准确度。目前LED分选设备采用光谱卡、电参数卡各自采集数据后将数据传送至PC机，由PC机计算得到光参数及电参数后进行显示与判别。随着LED产能及性能要求的继续扩大、现有LED分选设备的分选速度及价格越来越受到挑战。因此在LED光电参数测量过程中，在测量速度上的进一步挖掘及成本上的进一步压低就变为非常有必要。

目前高性能LED光电参数快速测试系统主要由国外及台湾所垄断，由于目前国产微型光纤光谱仪在快速颜色测量领域性能与进口同类产品有较大差距，因此系统中一般采用进口的微型光纤光谱仪作为光谱测试卡。国内在微型光纤光谱仪领域做的较好的有杭州远方光电基于HAAS-2000系列，但其价格与国外产品接近，不利于集成至LED快速分选设备当中，极大的限制了LED中小型企业的购买。因此，国内目前中小型LED企业普遍使用价格低、性能差的国产LED光色电测试系统，其结果是所生产的LED的光色电性能不能得到有效的保证，最终限制了我国的LED研发与生产质量水平。对于利用微型光纤光谱仪进行快速LED分选测试来说，面临同样的问题。国内也有数家LED分选设备生产厂商，如深圳的得天，华腾；杭州的中为光电等公司都有生产LED的分选机。在国内的这些产品当中，主要的问题是分选设备在速度，回bin率等指标上低于国外产品，导致价格仅为国外同类产品的一半，甚至更低。其原因主要是缺乏核心技术，核心部件（如光纤光谱仪）需要外购，无法与系统紧密配合，降低了速度同时，也无法发挥出其高效率。

发明内容

为了解决目前国产LED快速分选系统在整体性能偏低，光谱卡价格偏高的问题，本发明利用自行研制的高性能光纤光谱仪，配合电参数测试部分，并结合人机界面系统，实现了一种便携式LED光电参数快速检测系统，其技术方案如下：一种便携式LED光电参数快速检测系统，包括光参数检测模块、电参数测试模块及人机界面模块，所述电参数测试模块和人机界面模块分别由Cotex-M3芯片作为处理器，光参数检测模块与电参数测试模块之间通过CAN总线连接，且仅传输经光参数检测模块计算后得到的色度学参数，最后电参数测试模块将光电参数一并传递至人机界面模块进行显示。

进一步的，所述光参数检测模块采用微型光纤光谱仪，包括光学成像系统、光谱电信号的采集处理系统及数据传输系统。

进一步的，所述光学成像系统采用交叉非对称(Czerny-Turner)成像系统，结合高灵敏度、低成本的线阵CCD作为光传感器，实现了从350-1000nm范围的快速光谱测量，其积分时间为1ms-65s，光谱分辨率优于1nm（闪耀波长处），像素分辨率为0.372nm/pixel。

进一步的，所述电参数测试模块采用Cotex-M3芯片作为控制核心，包括电压参数测量及电流参数测量两部分，用来完成LED的正向电压、反向电压、正向电流及反向漏电流的测量。

进一步的，所述电参数测试模块对LED的电流方向进行控制，采用光控场效应管构成的H桥进行设置；电压参数测量的核心电路是恒流源，该恒流源还为光色参数的测量提供LED的恒定工作电流；在电压测试过程中，首先利用主控板给出的DA值控制恒流源的电流大小，在这个工作电流下，电压测试电路检测LED两端的电压，并进行阻抗匹配网络后送至高精度AD转换电路；当得到的电压远大于LED正常导通电压，则可得当前测试的为反向电压；控制LED控制H桥，使得LED工作在正向导通状态下，测得相应的正向电压；反向漏电流参数测量的核心电路则是为LED提供恒定的反向电压电路；利用DA给出相应的测试反向电压，对LED的反向漏电流进行电流电压转换后送至AD转换电路获得相应的漏电流值。

进一步的，该系统光路先通过聚焦透镜将LED光束聚焦后，在焦点处采用一平面分光镜将光束分为均匀的两路，其中一路经过光纤传输进入光参数检测模块测量LED的相对光谱功率分布，另一路进入探测器测量其光强，同时测量LED的光谱颜色参数和发光强度。

进一步的，采用UCOS-II与UCGUI结合的人机界面，可实现LED主要性能参数的显示；通过USB口触发光参数检测模块，光参数检测模块的Cotex-M3芯片将测得的光谱数据计算出检测需要的色度学参数值，并且通过USB传递给电参数测试模块，最终由电参数测试模块中的显示模块将测得的参数显示在人机界面上。

本发明的便携式LED光电参数快速检测系统，光参数检测模块与电参数测试模块之间通过CAN总线连接，且仅传输经光模块计算后得到的色度学参数，最后电参数模块将光电参数一并传递至人机界面模块进行显示。光参数检测模块由自制的微型光纤光谱仪构成，光学系统采用交叉非对称(Czerny-Turner)成像系统，结合高灵敏度、低成本的线阵CCD作为光传感器，实现了从350-1000nm范围的快速光谱测量，经测试，该仪器积分时间为1ms-65s，光谱分辨率优于1nm（闪耀波长处），像素分辨率为0.372nm/pixel；电参数测试模块采用M3芯片作为控制核心，设计了可程控的恒流恒压源，以及正向电压和反向漏电流测量电路，配合AD转换电路，获得相应电学参数数值；人界界面模块采用UCOS-II与UCGUI结合，设计了基于M3系统的人机界面，可实现LED主要性能参数的显示。

附图说明

图1是便携式LED光电参数快速检测系统框图；

图2是自制微型光纤光谱仪结构图；

图3是电参数测试H桥模块系统框图；

图4是恒流源电路图；

图5是反向电压驱动电路图；

图6是Cortex-M3主控板模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的便携式LED光电参数快速检测系统，包括：光参数检测模块（自制微型光纤光谱仪）、电参数测试及人机界面模块。光参数检测模块为一套自制的低成本高性能微型光纤光谱仪，最小积分时间为1ms，可将每毫秒采集的数据实时采集到上位机，如果连接至一般分选机中的工控机，可有效提高分选速度。但在本系统中，为了达到便携式的目的，采用ARM系统作为人机界面，该系统接收数据的速度有限，无法将每ms的大量数据实时的采集至人机界面，这样一来，会限制该设备作为分选模块的分选速度。因此本系统采用的方案如图1所示，光纤光谱仪模块与一块Cortex-M3 （NXP公司的LPC1768）的主控板相连，光纤光谱仪将实时采集到的LED相对光谱功率分布直接在内部进行计算，然后通过CAN总线传递至Cortex-M3主控板。光纤光谱仪内部的主处理器也为一块Cortex-M3，可以将实时采集的相对光谱功率分布进行CIE-x，y色坐标、色温、色容等进行计算。这样一来，光纤光谱仪需要传递给ARM人机交互系统的数据量就大大减少，从而使得本系统同样能达到高速实时的目的，可以作为快速分选的核心。同时CAN总线的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面，因此光谱仪中的数据传输至Cortex-M3的可靠性得到保证。同时，主控板的Cortex-M3同时负责协调电参数测试板的工作，主要负责LED桥路的方向、LED恒流源的设置、正向电压与反向漏电流的测试，同时对AD转换电流进行控制。此外，利用一个光度探头对点亮LED的中心光通量进行测试。最后所有数据都通过Cortex-M3主控板传递至ARM人机界面模块。人机界面模块对采集上来的光电参数进行分类显示与整理，并提供接口与PLC等设备进行通讯，可实现LED分选过程中的分bin处理。

以下，对系统中的各个部分进行详细介绍：

1. 光参数检测模块（自制微型光纤光谱仪），包括光学成像系统、光谱电信号的采集处理系统及数据传输系统。所述的光学成像系统如图2所示，采用折叠交叉的非对称切尼尔-特纳结构，包括入射狭缝1、准直镜M1、平面衍射光栅3、聚焦反射镜M2及线阵CCD 5；所述的准直镜为M1，聚焦反射镜为M2；平面衍射光栅3采用闪耀光栅600grv/mm，闪耀波长为400nm，闪耀角7.5度，闪耀方向为14度。所述的光谱电信号采集处理系统6包括阻抗匹配电路、CCD前端处理芯片、cortex-M3处理器，所述的光学成像系统将入射光经过狭缝后形成的线光源分光后成像至线阵CCD 5，所述的线阵CCD 5将聚焦在CCD象元上的不同波长的狭缝的像转变成随光强变化的电信号经所述的阻抗匹配电路与CCD前端处理芯片后送至cortex-M3处理器中进行数据处理；所述的cortex-M3处理负责产生CCD工作所需要的时序驱动信号，以及CCD前端芯片所需要的控制逻辑并且对获得的光谱数据进行数据处理后通过CAN总线传送至Cortex-M3主控板。

2. 电参数测试模块，该模块包括电压参数测量及电流参数测量两部分，用来完成LED的正向电压、反向电压、正向电流及反向漏电流的测量。测试部分首先对LED的电流方向进行控制，采用光控场效应管（photo-MOSFET）构成的H桥进行设置（如图3所示）。电压参数测量的核心电路是恒流源（如图4所示），同时，该恒流源还为光色参数的测量提供LED的恒定工作电流。在电压测试过程中，首先利用主控板给出的DA值控制恒流源的电流大小，在这个工作电流下，电压测试电路检测LED两端的电压，并进行阻抗匹配网络后送至高精度AD转换电路。当得到的电压远大于LED正常导通电压，则可得当前测试的为反向电压。控制LED控制H桥，使得LED工作在正向导通状态下，测得相应的正向电压。反向漏电流参数测量的核心电路则是为LED提供恒定的反向电压电路（如图5所示）。利用DA给出相应的测试反向电压，对LED的反向漏电流进行电流电压转换后送至AD转换电路获得相应的漏电流值。此外，由于LED的应用场合不同或是不同类型的LED需要不同的测试条件，恒流源和恒压源的设计为是程控可调的，具体数值由主控板的DA来进行设置。

3. 光路模块，出于LED发出的光是分散的，因此通过先通过聚焦透镜将LED光束聚焦后，在焦点处采用一平面分光镜将光束分为均匀的两路，其中一路经过光纤传输进入光谱仪测量LED的相对光谱功率分布，另一路进入探测器测量其光强。这样做还有另一个好处，即可同时测量LED的光谱颜色参数和发光强度，大大降低了测量时间，从而提高的测量速度，提高单位时间的LED分拣数量。

4. Cortex-M3主控板模块，如图6所示，主控板由Cortex-M3芯片作为主处理器，一方面，通过CAN总线接口与微型光纤光谱仪进行数据交互。其中对光纤光谱仪的参数设置主要包括：积分时间、平均次数及Boxcar次数。该三个参数是由人机界面设置传递给主控板，主控板再发送给微型光纤光谱仪。同样，微型光纤光谱仪将采集到的LED的光谱相对功率分布传递给主控板，主控板最后传递给人机界面模块，进而进行显示。

5. 人机界面模块：人机界面采用Cortex-M3芯片作为主处理器。利用TFT屏控制芯片及触摸屏芯片，配置了5-7寸的触摸TFT屏。将主控板传递过来的光电参数显示出来。同时，系统留有RS232，CAN，NET，USB等接口方便与PLC及工控机连接。如果将本设备用于LED快速分选机，可以通过这些接口将数据及控制命令传递给机械控制装置，进而进行准确可靠的分bin操作。

Claims

1.一种便携式LED光电参数快速检测系统，包括光参数检测模块、电参数测试模块及人机界面模块，其特征在于：所述电参数测试模块和人机界面模块分别由Cotex-M3芯片作为处理器，光参数检测模块与电参数测试模块之间通过CAN总线连接，且仅传输经光参数检测模块计算后得到的色度学参数，最后电参数测试模块将光电参数一并传递至人机界面模块进行显示。

2.如权利要求1所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：所述光参数检测模块采用微型光纤光谱仪，包括光学成像系统、光谱电信号的采集处理系统及数据传输系统。

3.如权利要求2所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：所述光学成像系统采用交叉非对称(Czerny-Turner)成像系统，结合高灵敏度、低成本的线阵CCD作为光传感器，实现了从350-1000nm范围的快速光谱测量，其积分时间为1ms-65s，光谱分辨率优于1nm（闪耀波长处），像素分辨率为0.372nm/pixel。

4.如权利要求1所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：所述电参数测试模块采用Cotex-M3芯片作为控制核心，包括电压参数测量及电流参数测量两部分，用来完成LED的正向电压、反向电压、正向电流及反向漏电流的测量。

5.如权利要求4所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：所述电参数测试模块对LED的电流方向进行控制，采用光控场效应管构成的H桥进行设置；电压参数测量的核心电路是恒流源，该恒流源还为光色参数的测量提供LED的恒定工作电流；在电压测试过程中，首先利用主控板给出的DA值控制恒流源的电流大小，在这个工作电流下，电压测试电路检测LED两端的电压，并进行阻抗匹配网络后送至高精度AD转换电路；当得到的电压远大于LED正常导通电压，则可得当前测试的为反向电压；控制LED控制H桥，使得LED工作在正向导通状态下，测得相应的正向电压；反向漏电流参数测量的核心电路则是为LED提供恒定的反向电压电路；利用DA给出相应的测试反向电压，对LED的反向漏电流进行电流电压转换后送至AD转换电路获得相应的漏电流值。

6.如权利要求1所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：该系统光路先通过聚焦透镜将LED光束聚焦后，在焦点处采用一平面分光镜将光束分为均匀的两路，其中一路经过光纤传输进入光参数检测模块测量LED的相对光谱功率分布，另一路进入探测器测量其光强，同时测量LED的光谱颜色参数和发光强度。

7.如权利要求1所述的便携式LED光电参数快速检测系统，其特征在于：采用UCOS-II与UCGUI结合的人机界面，可实现LED主要性能参数的显示；通过USB口触发光参数检测模块，光参数检测模块的Cotex-M3芯片将测得的光谱数据计算出检测需要的色度学参数值，并且通过USB传递给电参数测试模块，最终由电参数测试模块中的显示模块将测得的参数显示在人机界面上。