CN110658164A - 一种led脉冲激发光源系统 - Google Patents

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吴国俊
王东升
宋矫健
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Abstract

本发明公开一种LED脉冲激发光源系统，包括：通过上位机设定LED脉冲激发光源光功率值；控制模块对LED脉冲激发光源光功率值进行映射处理，得到参考电压信号值；LED驱动模块驱动光源模块发光并通过参考电压信号值调节使光源模块发光所需的电流；光源模块发光并输出特定波段的LED脉冲激发光源；光功率采集模块实时采集LED脉冲激发光源耦合光功率值；控制模块根据LED脉冲激发光源耦合光功率值，闭环反馈修正参考电压信号值。本发明通过输出特定波段的LED脉冲激发光源以及闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定，避免了LED脉冲激发光源受时间以及温度等环境因素造成的光功率和峰值波长漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。

Description

一种LED脉冲激发光源系统
技术领域
本发明涉及水下荧光探测技术领域，特别涉及一种LED脉冲激发光源系统。
背景技术
当今海洋污染越发严重，基于荧光检测法的水下荧光类传感器在叶绿素α、水中油、溶解氧等水质参数监控中的应用越发广泛。荧光检测法中，荧光强度与激发光源强度成正相关，特定条件下成正比。LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为水下荧光类传感器常用的激发光源，其激发光源强度和峰值波长决定荧光信号强度和稳定性，并且将直接影响水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
传统的水下荧光类传感器LED激发光源主要使用恒流源驱动，即通过确保脉冲驱动电流的稳定来实现LED激发光源光功率的稳定。但LED自身发光效率随时间衰减，加上受温度等环境因素的影响，LED激发光源的光功率和峰值波长会漂移，光功率和峰值波长的漂移会影响水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。开环的恒流源驱动方案忽略了上述的弊端，同时由于缺少对LED激发光源的光功率的实时监测，也无法做到LED激发光源强度的线性调节。
文献《原位海水叶绿素α传感器的电路设计》(作者：吴宁，王昭玉，曹煊等，刊名：仪表技术与传感器，出版年份：2019，期号：1，起止页码：9-11)中描述了一种基于恒流源的LED激发光源，但是该方案设计为开环控制系统，没有考虑因温度和时间引起的LED光功率和峰值波长的漂移，限制了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。专利号CN 105244758A公开的一种多波长半导体激光通信用的稳定光源系统，其中描述了一种基于恒流源和温度控制的半导体稳定光源，提供了一种对LED进行恒温控制从而提高LED光功率稳定的技术方案，该技术方案主要包含温度检测单元、温度控制单元等，通过主动控制，使LED始终处在某一设定温度，可避免因温度变化导致LED激发光源光功率的波动。但其在水下荧光探测技术领域存在温度控制单元体积较大，温度传感器无法在不接触的情况下精确测量多个不同型号LED的温度，功耗较高、调节时间过长，环境适应性较差，且无法消除LED激发光源光功率和峰值波长随时间漂移等缺点，不适用于当今越发小型化的水下荧光探测器。
发明内容
针对现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种LED脉冲激发光源系统。
本发明提供的一种LED脉冲激发光源系统，所述系统包括：上位机，控制模块，LED驱动模块、光源模块以及光功率采集模块；
所述控制模块分别与所述上位机、所述LED驱动模块、所述光功率采集模块连接，所述LED驱动模块与所述光源模块连接，所述光源模块与所述光功率采集模块连接；
用户通过所述上位机设定LED脉冲激发光源光功率值，并将所设定的LED脉冲激发光源光功率值发送至所述控制模块；
所述控制模块对所设定的LED脉冲激发光源光功率值进行映射处理，得到参考电压信号值，将参考电压信号值发送至所述LED驱动模块；
所述LED驱动模块驱动所述光源模块发光，并通过参考电压信号值调节驱动所述光源模块发光所需的电流；
所述光源模块发光并输出特定波段的LED脉冲激发光源；
所述光功率采集模块实时采集所述光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至所述控制模块；
所述控制模块包括PID控制单元，所述PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值，通过LED脉冲激发光源光功率值闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定。
进一步地，所述LED驱动模块包括D/A转换单元、调制单元、恒流源单元；所述PID控制单元分别与所述D/A转换单元、所述调制单元连接；所述D/A转换单元和所述调制单元分别与所述恒流源单元连接。
进一步地，所述光功率采集模块包括光电传感器、IV转换单元、A/D转换单元；所述光电传感器与IV转换单元连接；所述IV转换单元与所述A/D转换单元连接；所述A/D转换单元与所述PID控制单元连接。
进一步地，所述光源模块包括LED、窄带滤光片；所述LED与所述恒流源单元连接。
进一步地，所述窄带滤光片为两个且相同，一个所述窄带滤光片放置于所述LED的出射光端，另一个所述窄带滤光片放置于所述光电传感器的光敏面端。
进一步地，所述光电传感器用于采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值的电流信号。
进一步地，所述IV转换单元用于将采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值的电流信号转换为电压信号。
进一步地，所述闭环反馈修正参考电压信号值具体包括：
S1：光功率采集模块实时采集光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至所述PID控制单元；
S2：所述PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值；
S3：比较并计算所述PID控制单元得到的LED脉冲激发光源光功率值与所述上位机设定的LED脉冲激发光源光功率值的绝对误差值；
S4：判断绝对误差值是否大于预设阈值，若是，则采用PID算法修正参考电压信号值；
S5：重复S1～S4，直至最终绝对误差值小于预设阈值。
本发明的技术效果或优点：
(1)本发明以LED作为激发光源器件，LED的出射光端和光电传感器的光敏面端都放置有同样的窄带滤光片，可确保输出特定波段的LED脉冲激发光源，避免了受时间和温度等因素影响造成峰值波长的漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
(2)本发明通过光电传感器实时采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值的电流信号，计算得到特定波段的LED脉冲激发光源光功率值，通过PID控制单元闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定，避免了受时间和温度等因素影响造成光功率的漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的LED脉冲激发光源系统的结构示意图；
图2是根据本发明的另一个实施例的LED脉冲激发光源系统的结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的闭环控制LED脉冲激发光源光功率稳定的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的一个实施例的LED脉冲激发光源系统的结构示意图。
如图1所示，本发明的LED脉冲激发光源系统包括上位机、控制模块、LED驱动模块以及光功率采集模块。控制模块分别与上位机、LED驱动模块、光功率采集模块连接，LED驱动模块与光源模块连接，光源模块与光功率采集模块连接。
具体地，用户通过上位机设定目标LED脉冲激发光源光功率值，并将设定的目标LED脉冲激发光源光功率值发送至控制模块；控制模块接收上位机发送的目标LED脉冲激发光源光功率值并进行映射处理，得到参考电压信号值；上述映射处理是：控制模块中存储有LED脉冲激发光源光功率值和参考电压信号值的映射数据，对所设定的目标LED脉冲激发光源光功率值进行映射处理，能够得到相应的参考电压信号值。将参考电压信号值发送至LED驱动模块，LED驱动模块驱动光源模块发光，并通过参考电压信号值调节驱动光源模块发光所需的电流；通过LED驱动模块的驱动以及电流输入，光源模块发光并输出特定波段的LED脉冲激发光源；然后，光功率采集模块实时采集光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至所述控制模块；控制模块包括PID控制单元，PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值，通过LED脉冲激发光源光功率值闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定。
本实施例，通过采集特定波段的LED脉冲激发光源光功率值，采用PID控制单元闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定，避免了受时间和温度等因素影响造成峰值波长以及光功率的漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
图2是根据本发明的另一个实施例的LED脉冲激发光源系统的结构示意图。本实施例的LED脉冲激发光源系统，在图1所示的实施例的结构基础上，进一步描述了控制模块、LED驱动模块、光源模块以及光功率采集模块的具体结构。
其中：
上位机可用PC(personal computer，个人计算机)，也可以用触摸屏等，上位机与控制模块通过USB转串口单元进行通信，USB转串口单元采用CH340N。控制模块包括PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))控制单元。LED驱动模块包括D/A转换单元(数模转换单元，将数字量转换为模拟量)、调制单元、恒流源单元。光功率采集模块包括光电传感器、IV转换单元(电流电压转换单元)和A/D转换单元(模数转换单元，将模拟量转换为数字量)。光源模块包括LED、窄带滤光片。
上述中，上位机与USB转串口单元双向连接，USB转串口单元与PID控制单元双向连接；PID控制单元分别与调制单元、D/A转换单元、A/D转换单元连接，调制单元和D/A转换单元分别与恒流源单元连接，恒流源单元与LED连接；光电传感器与IV转换单元连接，IV转换单元与A/D转换单元连接，A/D转换单元与PID控制单元连接。
进一步地，LED的出射光端和光电传感器的光敏面端都放置有窄带滤光片，光电传感器光敏面端放置的是与LED的出射光端相同的窄带滤光片，可用于输出特定波段的LED脉冲激发光源。
本实施例具体的工作原理如下：用户通过上位机设定目标LED脉冲激发光源光功率值，通过USB转串口单元，将设定的目标LED脉冲激发光源光功率值发送至PID控制单元，PID控制单元接收上位机发送的目标LED脉冲激发光源光功率值，根据PID控制单元中存储的LED脉冲激发光源光功率值和参考电压信号值的映射数据，将该目标LED脉冲激发光源光功率值经过映射处理，转换成16位数字量数值，从而得到相应数字量的参考电压信号值。通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通信总线将数字量的参考电压信号值发送至D/A转换单元，D/A转换单元将PID控制单元发送的数字量转换为模拟量并输出模拟量的参考电压信号值。PID控制单元控制调制单元使能脉冲信号驱动LED发光，恒流源单元用于输出驱动LED发光所需的电流，通过模拟量的参考电压信号值调节恒流源单元输出的恒定电流。LED的出射光端和光电传感器的光敏面端都放置有相同的窄带滤光片，通过使能信号的驱动、恒定电流输入以及窄带滤光片的作用，能够输出特定波段的LED脉冲激发光源。光电传感器的光敏面朝向LED的侧面或者背面，保证光电传感器能够采集到特定波段的LED脉冲激发光源在侧向或者背向方向上的耦合光功率值，LED脉冲激发光源耦合光功率值与LED脉冲激发光源光功率值呈比例关系，LED脉冲激发光源耦合光功率值乘以相应的比例系数能够计算得到LED脉冲激发光源光功率值。光电传感器实时采集LED脉冲激发光源发光状态和熄灭状态的耦合光功率值的电流信号，其中LED脉冲激发光源熄灭状态的耦合光功率值的电流信号仅包含暗电流等背景噪声，光电传感器采集的LED脉冲激发光源发光状态和熄灭状态的耦合光功率值的电流信号经过IV转换单元处理后，分别得到耦合光功率值的电压信号的高低电平数值，通过A/D转换单元处理后，得到数字量的高低电平数值，高电平数值包含LED脉冲激发光源发光状态的耦合光功率值的电压信号和暗电流等背景噪声；低电平数值仅包含LED脉冲激发光源熄灭状态的暗电流等背景噪声。将耦合光功率的高低电平数值发送至PID控制单元，PID控制单元将耦合光功率的高低电平数值做差后得到特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值，将耦合光功率值乘以相应比例系数后，得到LED脉冲激发光源光功率值，将得到的LED脉冲激发光源光功率值与上位机设定的目标LED脉冲激发光源光功率值进行比较，闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定。
本实施例，以LED作为激发光源器件，LED的出射光端和光电传感器的光敏面端都放置有同样的窄带滤光片，可确保输出特定波段的LED脉冲激发光源；通过光电传感器实时采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率的电流信号，计算得到特定波段的LED脉冲激发光源光功率值，通过PID控制单元闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定。避免了受时间和温度等因素影响造成峰值波长以及光功率的漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
图3为根据本发明的一个实施例的闭环控制LED脉冲激发光源光功率稳定的流程图。下面参照图3对本实施例的闭环控制进行说明。如图3所示，本实施例提供的闭环控制，主要包括以下步骤：
S1：光功率采集模块实时采集光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至PID控制单元；
S2：PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值；
S3：比较并计算PID控制单元得到的LED脉冲激发光源光功率值与上位机设定的LED脉冲激发光源光功率值的绝对误差值；
S4：判断绝对误差值是否大于预设阈值，若是，则采用PID算法修正参考电压信号值；
S5：重复S1～S4，直至最终绝对误差值小于预设阈值。
本实施例，通过采集到特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值，采用PID控制单元闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定，避免了受时间和温度等因素影响造成峰值波长以及光功率的漂移，提高了水下荧光类传感器的灵敏度和稳定性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述系统包括：上位机，控制模块，LED驱动模块、光源模块以及光功率采集模块；
所述控制模块分别与所述上位机、所述LED驱动模块、所述光功率采集模块连接，所述LED驱动模块与所述光源模块连接，所述光源模块与所述光功率采集模块连接；
用户通过所述上位机设定LED脉冲激发光源光功率值，并将所设定的LED脉冲激发光源光功率值发送至所述控制模块；
所述控制模块对所设定的LED脉冲激发光源光功率值进行映射处理，得到参考电压信号值，将参考电压信号值发送至所述LED驱动模块；
所述LED驱动模块驱动所述光源模块发光，并通过参考电压信号值调节驱动所述光源模块发光所需的电流；
所述光源模块发光并输出特定波段的LED脉冲激发光源；
所述光功率采集模块实时采集所述光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至所述控制模块；
所述控制模块包括PID控制单元，所述PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值，通过LED脉冲激发光源光功率值闭环反馈修正参考电压信号值，实现LED脉冲激发光源光功率的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述LED驱动模块包括D/A转换单元、调制单元、恒流源单元；所述PID控制单元分别与所述D/A转换单元、所述调制单元连接；所述D/A转换单元和所述调制单元分别与所述恒流源单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述光功率采集模块包括光电传感器、IV转换单元、A/D转换单元；所述光电传感器与IV转换单元连接；所述IV转换单元与所述A/D转换单元连接；所述A/D转换单元与所述PID控制单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述光源模块包括LED、窄带滤光片；所述LED与所述恒流源单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述窄带滤光片为两个且相同，一个所述窄带滤光片放置于所述LED的出射光端，另一个所述窄带滤光片放置于所述光电传感器的光敏面端。
6.根据权利要求3所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述光电传感器用于采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值的电流信号。
7.根据权利要求6所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述IV转换单元用于将采集特定波段的LED脉冲激发光源耦合光功率值的电流信号转换为电压信号。
8.根据权利要求1所述的一种LED脉冲激发光源系统，其特征在于，所述闭环反馈修正参考电压信号值具体包括：
S1：光功率采集模块实时采集光源模块输出的LED脉冲激发光源耦合光功率值，并将采集的LED脉冲激发光源耦合光功率值发送至所述PID控制单元；
S2：所述PID控制单元根据接收到的LED脉冲激发光源耦合光功率值，计算得到LED脉冲激发光源光功率值；
S3：比较并计算所述PID控制单元得到的LED脉冲激发光源光功率值与所述上位机设定的LED脉冲激发光源光功率值的绝对误差值；
S4：判断绝对误差值是否大于预设阈值，若是，则采用PID算法修正参考电压信号值；
S5：重复S1～S4，直至最终绝对误差值小于预设阈值。
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