CN111343750A - 一种可拓展的光源增亮控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可拓展的光源增亮控制系统，包括用于控制整个系统的工控机，用于控制LED光源的光源控制器和LED光源；所述工控机通过光源控制器级联接口引出串行线路，依次级联若干路光源控制器，所述光源控制器和工控机之间采用UART串行通讯；所述光源控制器采用独立电源供电；所述光源控制器中还设有增亮装置；所述LED光源中设置有用于向光源控制器反馈信息的反馈模块。通过简单的插拔安装无限扩展多个光源控制器，满足工业现场光源控制器不足的应用情况；采用超电流的方法增加光源亮度，解决工业现场LED亮度不足的应用情况，同时通过控制LED导通时间，使LED免于长时间的高功率工作而产生的严重发热现象，延长光源寿命。

Description

一种可拓展的光源增亮控制系统
技术领域
本发明涉及机器视觉领域，具体涉及一种可拓展的光源增亮控制系统。
背景技术
LED光源以其节能环保、寿命长、可调光调色广泛应用于机器视觉领域。LED光源亮度由其导通的平均电流决定，平均电流受光源控制器调节。光源控制器分为数字控制和模拟控制，模拟控制器通过改变电压调节光源亮度，称为DC调光；数字控制器通过对电压进行脉冲宽度调制，进而控制平均电流来调节光源亮度，称为PWM调光。
光源控制器作为光源亮度的控制设备，一般附属于工控机，与工控机进行协议通讯，进而由运行于工控机之上的图像处理系统进行调度，按照应用需求调节光源亮度。
传统光源控制器的应用中，存在着以下问题：
1、在实际的机器视觉应用项目中，对光源控制器的需求是不定的，在生产的每台工控机都全额配置光源控制器，将会无形之中增大生产成本；
2、而功率是影响工控机拖动光源控制器数量的一个因素，当多个光源控制器都在满功率工作时，对工控机的电源适配器的功率需求非常大；
3、PWM调光，可调范围大，没有色偏，调光精准，但工业相机的曝光时间可以设置的很短，但如果PWM调光频率不够快，容易造成采集的图像前后照度不一；DC调光可以让LED光源没有频闪现象，但不同电压下的LED光源会出现色差，并且LED一直处于导通状态，容易造成发热，影响LED的发光效能；
4、LED光源虽然能够承受高于额定电流好几倍的工作状态，能使得照明亮度大大提高，但长期在高负荷下工作发热严重，会影响其寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可拓展的光源增亮控制系统，通过简单的插拔安装无限扩展多个光源控制器，满足工业现场光源控制器不足的应用情况，有效减少因电源功率问题造成的硬件问题，降低生产成本，采用超电流的方法增加光源亮度，解决工业现场LED亮度不足的应用情况，同时通过控制LED导通时间，使LED免于长时间的高功率工作而产生的严重发热现象，延长光源寿命。
本发明的技术方案如下所示：一种可拓展的光源增亮控制系统，包括用于控制整个系统的工控机，用于控制LED光源的光源控制器和LED光源；所述工控机通过光源控制器级联接口引出串行线路，依次级联若干路光源控制器，所述光源控制器和工控机之间采用UART串行通讯；所述光源控制器采用独立电源供电；所述光源控制器中还设有增亮装置；所述LED光源中设置有用于向光源控制器反馈信息的反馈模块。
优选的，所述光源控制器包括串行数据收发器、数据选择器、主控芯片和线路开关器件。
优选的，所述增亮装置为Step Down型电压转换器件TPS54560，所述电压转换器件TPS54560的输出电压Vout由反馈电阻RHS、RLS来决定；所述输出电压Vout与RHS，RLS的关系为：
Figure BDA0002387121330000021
优选的，所述增亮装置的实现增亮功能的方法为：根据Step Down型电压转换器件TPS54560中反馈电阻能够影响输出电压的特性，将RHS的值固定，改变RLS的值，进而调节TPS54560输出电压，使其为LED光源供电时可以提高供电电流，达到提高照明亮度的效果。
优选的，所述RLS采用可调范围涵盖0—10kΩ的数字电位器TPL0202-10，由主控芯片经SPI协议设置，可调节其输出阻值。
优选的，所述反馈模块包括采样电路和电压跟随电路；所述反馈模块的运行过程为：采样电路采集LED光源总电流，经电压跟随电路后反馈至主控芯片，实现LED光源亮度的闭环调节。
优选的，所述工控机识别和控制各路光源控制器的方法为：由工控机引入的UART信号经串行数据收发器转换为主控芯片能够识别的CMOS电平信号，转换后的UART信号经数据选择器来选择对应本级光源控制器的信号流入主控芯片中；而与本级光源控制器不对应的信号，将通过由主控芯片控制的线路开关器件，经串行数据收发器发射到下级光源控制器。
优选的，所述主控芯片选用主频率为72MHZ的STM32微控制器。
优选的，所述LED光源在增亮时的导通时间需要受到光源控制器的限制，通过增设定时器来控制增亮照明时间。
更优选的，所述工控机识别各路光源控制器的过程为：工控机主动向第1路UART串行接口发送数据，当接收到第1路UART串行接口返回的应答数据时，表示第一级光源控制器接入到系统当中，工控机可初始化第2路串行接口，依次类推，在设定的时间内如果没有新的光源控制器接入，则可停止搜寻。
本发明的有益效果为：引入光源控制器级联功能，可以通过简单的插拔安装无限扩展多个光源控制器，满足工业现场光源控制器不足的应用情况分离工控机与光源控制器的供电单元，不再依赖于单一的高功率电源适配器，有效减少因电源功率问题造成的硬件问题，降低生产成本；引入增亮功能，采用超电流的方法增加光源亮度，解决工业现场LED亮度不足的应用情况，同时通过控制LED导通时间，使LED免于长时间的高功率工作而产生的严重发热现象，延长光源寿命。
附图说明
图1为工控机和光源控制器的级联示意图。
图2为光源控制器内部硬件组成的数据传输图。
图3为光源控制器初始化识别流程。
图4为级联输入接口后的串行数据收发器的内部电路图。
图5为数据选择器的内部电路图。
图6为主控芯片的内部电路图。
图7为线路开关器件的内部电路图。
图8级联输入接口前的串行数据收发器的内部电路图。
图9为TPS54560的外围电路。
图10为TPL0202-10的外围电路。
图11为电流采样电路的电路图。
图12为电压跟随电路的电路图。
图13为增亮功能调节的流程图。
图14为增亮倍率与照明阈值时间的对照表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例进行详细的阐述。
如图1所示，一种可拓展的光源增亮控制系统，包括用于控制整个系统的工控机，用于控制LED光源的光源控制器和LED光源；所述工控机通过光源控制器级联接口引出串行线路，依次级联4路光源控制器，每路控制器可实现4台光源的亮度调节,所述光源控制器和工控机之间采用UART串行通讯，光源控制器级联接口在不使用时用螺钉密封；工业控制计算机引出的接口只包含数据通讯线路，不包含供电线路；每台光源控制器都单独供电，提供对应4台光源的功率供应，光源控制器两两之间通过级联信号输入接口和级联信号输出接口来连接，当下一级没有级联的光源控制器时，可以封闭级联输出接口。用这种方式将工业控制计算机与光源控制器的供电单元分离开，大大降低由于功率不足造成的不可控问题。
如图2所示，工控机在级联光源控制器时需要识别和控制各路光源控制器，其方法为：由工控机引入的UART信号经串行数据收发器转换为主控芯片能够识别的CMOS电平信号，转换后的UART信号经数据选择器来选择对应本级光源控制器的信号流入主控芯片中；而与本级光源控制器不对应的信号，将通过由主控芯片控制的线路开关器件，经串行数据收发器发射到下级光源控制器。串行数据收发器为MAX3232转换芯片，数据选择器为4选1数据选择器，线路开关器件为数据开关选择器、主控芯片选用主频率为72MHZ的STM32微控制器。
级联识别需要一个初始化的过程，需要在光源控制器中加入软件的设计，其识别初始化的具体过程为：工业控制计算机主动向第1路UART串行接口发送数据，当接收到第1路UART串行接口返回的应答数据时，表示第一级光源控制器接入到系统当中，工业控制计算机可初始化第2路串行接口，即当前级光源控制器接入系统之后才能搜寻下一级光源控制器的接入情况；在规定时间内如果没有新的光源控制器接入，则可停止搜寻；针对工业控制计算机的初始化流程，光源控制器的识别流程如图3所示。
其中串行数据收发器、数据选择器、主控芯片和线路开关器件的电路图如图4～图8所示。
由于LED能够承受短时间的超电流工作而基本不影响其寿命，这一特性本发明提供的增亮方法提供了依据。一般LED光源设计为24V供电，为了提高LED的照明亮度，通过提高LED的供电电压，进而提高其电流，达到提高照明亮度的效果；由LED的伏安特曲线可知，LED两端的电压电流不是线性的关系，为实现可控的照明增量，在提高电压的同时，需要对电流环进行监控，实现电压的反馈调节，保证增亮效果可控为实现电压可调，采用能承受宽压输入范围的Step Down型电压转换器件TPS54560，输出电压Vout主要受反馈回路的电阻RHS，RLS决定：
Figure BDA0002387121330000051
即反馈电阻的变化可以影响输出电压的变化。将RHS固定，RLS采用数字电位器TPL0202-10，可调范围涵盖0—10kΩ,由主控芯片经SPI协议设置，即可调节其输出阻值，进而调节TPS54560输出电压，其硬件电路设计如图9和图10所示。
为精确调节LED照明亮度，控制超电流范围，防止电流过大烧毁LED，本发明在LED照明通路中加入采样电路，采集LED光源总电流，经电压跟随电路后反馈至主控芯片，实现LED光源亮度的闭环调节。其硬件电路如图11和图12所示。
由于LED光源在长时间的高功率的工作下容易产生的严重发热现象，因此需要对LED光源的工作时间保持一定的限制，需要在软件层面上进行设计，最终流程如图13所示，具体为：设置数字电位器的阻值，调节LED光源的供电电压，光源控制器在上电初始化时采集额定电压(24V)下的LED光源总电流I，当需要将光源亮度增加N倍时，即可确定电路中的总电流需求为N*I；主控芯片以每次约39Ω的调节幅度调节数字电位器阻值，进而调节LED光源的供电电压，同时主控芯片获取采样LED照明电路反馈的总电流，作为实时调节LED光源供电电压的依据，直至LED照明电路中的总电流接近N*I为止；同时，为了防止LED光源在超电流下长时间工作会损坏，甚至烧毁LED，使用定时器控制增亮照明时间，判断照明时间是否达成，若是则关闭LED照片电路；图14展示了一种情况下的增亮程度与照明时间的对应情况。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，包括用于控制整个系统的工控机，用于控制LED光源的光源控制器和LED光源；所述工控机通过光源控制器级联接口引出串行线路，依次级联若干路光源控制器，所述光源控制器和工控机之间采用UART串行通讯；所述光源控制器采用独立电源供电；所述光源控制器中还设有增亮装置；所述LED光源中设置有用于向光源控制器反馈信息的反馈模块。
2.根据权利要求1中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述光源控制器包括串行数据收发器、数据选择器、主控芯片和线路开关器件。
3.根据权利要求2中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述增亮装置为Step Down型电压转换器件TPS54560，所述电压转换器件TPS54560的输出电压Vout由反馈电阻RHS、RLS来决定；所述输出电压Vout与RHS，RLS的关系为：
Figure FDA0002387121320000011
4.根据权利要求3中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述增亮装置的实现增亮功能的方法为：根据Step Down型电压转换器件TPS54560中反馈电阻能够影响输出电压的特性，将RHS的值固定，改变RLS的值，进而调节TPS54560输出电压，使其为LED光源供电时可以提高供电电流，达到提高照明亮度的效果。
5.根据权利要求4中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述RLS采用可调范围涵盖0—10kΩ的数字电位器TPL0202-10，由主控芯片经SPI协议设置，可调节其输出阻值。
6.根据权利要求2中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述反馈模块包括采样电路和电压跟随电路，所述反馈模块的运行过程为：采样电路采集LED光源总电流，经电压跟随电路后反馈至主控芯片，实现LED光源亮度的闭环调节。
7.根据权利要求2中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述工控机识别和控制各路光源控制器的方法为：由工控机引入的UART信号经串行数据收发器转换为主控芯片能够识别的CMOS电平信号，转换后的UART信号经数据选择器来选择对应本级光源控制器的信号流入主控芯片中；而与本级光源控制器不对应的信号，将通过由主控芯片控制的线路开关器件，经串行数据收发器发射到下级光源控制器。
8.根据权利要求2中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述主控芯片选用主频率为72MHZ的STM32微控制器。
9.根据权利要求4中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述LED光源在增亮时的导通时间需要受到光源控制器的限制，通过增设定时器来控制增亮照明时间。
10.根据权利要求7中所述的一种可拓展的光源增亮控制系统，其特征在于，所述工控机识别各路光源控制器的过程为：工控机主动向第1路UART串行接口发送数据，当接收到第1路UART串行接口返回的应答数据时，表示第一级光源控制器接入到系统当中，工控机可初始化第2路串行接口，依次类推，在设定的时间内如果没有新的光源控制器接入，则可停止搜寻。
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