CN111954333B - 亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法 - Google Patents

亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法，其中，基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统主要包括：FPGA主控，光源模块，ADC，环境光传感器，外部存储模块，高精度时钟源，串口芯片以及上位机。通过利用本申请实施例提供的技术方案，能有效的提高对光源调控的精度，扩大可调范围。特别适合于生物医学检测和光学物理实验等应用场合。

Description

亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法
技术领域
本申请涉及光电子器件和电子科学与技术等领域，尤其涉及一种亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法。
背景技术
亚时钟超精细脉冲是指脉冲持续时间小于时钟周期，特别是远小于时钟周期二分之一的电脉冲，该电脉冲可能含有一定的重复模式，如脉冲在周期的任意位置出现一次或者多次，重复周期可以是随时间变化的任意数，或是两种或两种以上周期的叠加。
现有技术针对光源的调节一般分为两种，第一，通过线性调节LED电流，从而调节LED的亮度，但由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变，从而影响色温色准，第二种是使用开关电路，以相对于人眼识别能力足够高的频率工作来改变光输出的平均值，即数字调光，其中广泛采用的是脉宽调制(Pulse-widthmodulation，以下简称为PWM)方法，通过调节占空比改变其亮度，其优点是没有色偏，相比较线性方案调光精准，可调范围一般为200HZ(低频调光)至20KHZ(高频调光)，针对日常照明方案足够，但针对于专业领域相差甚多。且该方案通过是通过调整光输出的平均值达到调整光强，调光精准度同样不能满足要求。
针对以上方法的不足之处，有必要提出一种精度更高，可调范围更大的亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法。
发明内容
本申请实施例的目的是提供基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法，以解决现有技术中的至少一种问题。
本发明提供了一种亚时钟超精细脉冲调控的光源系统，包括FPGA主控，用于接收环境光信号并由此调控产生可调脉冲信号，并发送至光源摸块；光源模块，与FPGA主控相连，用于接收脉冲信号，并根据该脉冲信号驱动发光元件产生可调光源；ADC，与环境光传感器相连，用于将环境光传感器采集到的信息进行模数转换；外部存储模块，用于储存配置信息，与FPGA主控相连，；高精度时钟源，与FPGA主控相连，为FPGA主控内部的细脉冲调节模块与粗脉冲调节模块提供源时钟；串口芯片，与FPGA主控相连，用于实现上位机与FPGA主控的串口通信；上位机，与串口芯片相连，用于设定配置信息。
优选的，所述FPGA主控包括逻辑单元、串行接口、内存读写模块、粗脉冲调节模块、细脉冲调节模块、逻辑运算模块；其中逻辑单元被配置为接收ADC的光强度采样数据，动态调整向粗脉冲调节模块、细脉冲调节模块输出的配置信息；粗脉冲调节模块被配置为接收由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块；细脉冲调节模块用于被配置为接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，并以亚时钟脉冲为基准，生成相应的细脉冲信号，发送至逻辑运算模块。
优选的，所述环境光传感器包含两个及以上的探头，当设置为两个探头时，一个放置于光源系统不能照射到的位置，检测未开启该光源系统时的基准环境，一个置于光源能照射到的位置，用于实时校准；当大于两个探头时，可根据具体情况添加至光源系统不能照射到的位置。
优选的，光源模块，包含电源模块，光源驱动模块，发光器件；其中电源模块为光源驱动模块提供电源；光源驱动模块接收FPGA主控发送的控制信号，并通过该信号驱动发光器件产生与控制信号相符的光。
优选的，所述串口芯片采用以太网芯片，与上位机通信采用以太网通信。
优选的，所述串口芯片同时采用通用串行接口芯片，与上位机之间通过USB方式连接。
优选的，所述外部存储模块采用SRAM器件或是FLASH器件。
优选的，逻辑运算模块，通过逻辑与运算的方式，将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块。
本发明提供了亚时钟超精细脉冲调控的方法，其脉冲生成及逻辑运算过程如下：
步骤S10：粗脉冲调节模块接收到由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，以高精度时钟源为基准通过调制脉宽的方式，生成粗脉冲信号；
与此同时，细脉冲配置模块接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，并将控制信号分别发送至相移时钟与亚周期脉冲生成模块；相移时钟以高精度时钟源的时钟为基准，产生一个频率相同，相位不同的时钟信号；亚周期脉冲生成模块用于接收高精度时钟源产生的原始时钟信号与相移时钟产生的相移时钟信号，通过检测时移时钟信号在单周期内的跳变，单个时钟周期之内的脉冲信号通过组合逻辑遍程调节，单周期以上的脉冲信号通过另外的状态机进行调节，从而实现脉冲信号周期、宽度等调节，生成细脉冲信号；
步骤S20：逻辑运算模块将粗脉冲信号与细脉冲信号进行与运算，叠加之后输出至光源模块。
其光源调控过程如下：
S11：通过环境光传感器对环境光进行检测，收集环境光的照度，相对色温，显色指数以及相关指标，输出至ADC，由ADC进行数字化，并输出至FPGA主控；
S21：逻辑单元收集环境光信息，同时通过内存读写模块读取外部存储模块的设置信息相比较，生成两路脉冲配置信息，分别发送至粗脉冲调节模块与细脉冲调节模块；
S31：粗脉冲调节模块接收由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源的时钟为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块；于此同时细脉冲调节模块接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，配置产生相应的细脉冲信号发送至逻辑运算模块；
S41：在逻辑运算模块内将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块；
S51：光源驱动模块接收逻辑运算模块输出的信号，并由此驱动发光器件产生可调光源。
本发明提供的基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法，其优点如下：
本发明通过采用亚时钟超精细脉冲以及标准时钟信号的结合对光源进行调控，能针对于专业领域对光源进行精细调整，其产生的光信号精度更高，可调范围更大。
附图说明
图1为基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法整体流程图
图2为基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法光源模块结构示意图
图3为基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法细脉冲调节模块结构示意图。
图中：100、FPGA主控；200、光源模块；300、ADC；400、环境光传感器；500、外部存储模块；600、高精度时钟源；700、串口芯片；800、上位机；110、逻辑单元；120、粗脉冲调节模块；130、细脉冲调节模块；140、逻辑运算模块；150、串行接口；160、内存读写模块；131、细脉冲配置模块；132、相移时钟；133、亚周期脉冲生成模块；210、光源驱动模块；220、电源模块；230、发光器件。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
本发明通过设置FPGA主控100，光源模块200，ADC300，环境光传感器400，外部存储模块500，高精度时钟源600，串口芯片700以及上位机800。
所述FPGA主控100，与光源模块200，ADC300，外部存储模块500,高精度时钟源600，串口芯片700相连。FPGA主控100用于收集由ADC300进行数模转换后的环境光数据，与设定数据进行对比，产生光源控制信号并发送至光源模块200。另外，光源调控的配置信息保存在外部存储模块500，并能通过串口芯片700与上位机800进行数据通信。
FPGA主控100，包括逻辑单元110、粗脉冲调节模块120、细脉冲调节模块130、逻辑运算模块140、串行接口150、内存读写模块160。
逻辑单元110，与ADC300、粗脉冲调节模块120、细脉冲调节模块130、串行接口150、内存读写模块160相连，被配置为接收ADC300的光强度采样数据，动态调整向粗脉冲调节模块120、细脉冲调节模块130输出的配置信息。
粗脉冲调节模块120，被配置为接收由逻辑单元110发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源600的时钟为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块140；
细脉冲调节模块130，包括细脉冲配置模块131，相移时钟132，亚周期脉冲生成模块133；其中，细脉冲配置模块131被配置为接收由逻辑单元110发送的细脉冲配置信息，并将控制信号分别发送至相移时钟132与亚周期脉冲生成模块133；相移时钟132以高精度时钟源600的时钟为基准，产生一个频率相同，相位不同的时钟信号；亚周期脉冲生成模块133用于接收高精度时钟源600产生的原始时钟信号与相移时钟132产生的相移时钟信号，通过检测时移时钟信号在单周期内的跳变，单个时钟周期之内的脉冲信号通过组合逻辑遍程调节，单周期以上的脉冲信号通过另外的状态机进行调节，从而实现脉冲信号周期、宽度等调节，生成细脉冲信号，发送至逻辑运算模块140；
逻辑运算模块140，用于将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块200；
串行接口150，被配置为通过串行接口150与串口芯片700进行串口通信，向上位机800发送目前状态的环境光信息，以及接收由上位机软件发送来的配置信息；
内存读写模块160，与外部存储模块500相连，用于将配置数据储存至外部存储模块500内，即便断电重启，配置信息依然存在于外部存储模块500
环境光传感器400用于测量当前环境光的照度，相对色温，显色指数以及相关指标，通过ADC300进行数字化，并输出至FPGA主控100；
其中所述环境光传感器可配置多个，用于提高环境光检测的准确度；
光源模块200包括光源驱动模块210，发光器件230，电源模块220组成，其中电源模块220为光源驱动模块210提供电源；光源驱动模块210接收FPGA主控100发送的控制信号，并通过该信号驱动发光器件230产生符合设置的光。
实施例1：亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法脉冲生成及逻辑运算过程
步骤S10：粗脉冲调节模块120接收到由逻辑单元110发送的粗脉冲配置信息，以高精度时钟源600为基准通过调制脉宽的方式，生成粗脉冲信号；
与此同时，细脉冲配置模块131接收由逻辑单元110发送的细脉冲配置信息，并将控制信号分别发送至相移时钟132与亚周期脉冲生成模块133；相移时钟132以高精度时钟源600的时钟为基准，产生一个频率相同，相位不同的时钟信号；亚周期脉冲生成模块133用于接收高精度时钟源600产生的原始时钟信号与相移时钟132产生的相移时钟信号，通过检测时移时钟信号在单周期内的跳变，单个时钟周期之内的脉冲信号通过组合逻辑遍程调节，单周期以上的脉冲信号通过另外的状态机进行调节，从而实现脉冲信号周期、宽度等调节，生成细脉冲信号；
步骤S20：逻辑运算模块140将粗脉冲信号与细脉冲信号进行与运算，叠加之后输出至光源模块200。
实施例2：亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法光源调控过程
如图1为基于亚时钟超精细脉冲调控的光源系统及方法调控的流程图，包括FPGA主控100，光源模块200，ADC300，环境光传感器400，外部存储模块500，高精度时钟源600，串口芯片700以及上位机800。
步骤S11：通过环境光传感器400对环境光进行检测，收集环境光的照度，相对色温，显色指数以及相关指标，输出至ADC300，由ADC进行数字化，并输出至FPGA主控100；
步骤S21：逻辑单元110收集环境光信息，同时通过内存读写模块160读取外部存储模块500的设置信息相比较，生成两路脉冲配置信息，分别发送至粗脉冲调节模块120与细脉冲调节模块130；
步骤S31：粗脉冲调节模块120接收由逻辑单元110发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源600的时钟为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块140；于此同时细脉冲调节模块130接收由逻辑单元110发送的细脉冲配置信息，配置产生相应的细脉冲信号发送至逻辑运算模块140；
步骤S41：在逻辑运算模块140内将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块200；
步骤S51：光源驱动模块210接收逻辑运算模块140输出的信号，并由此驱动发光器件产生可调光源。
根据本发明的一个实施例，在步骤S1中，所述环境光传感器400设置包含两个探头，一个放置于光源模块后，用于检测未开启该光源系统时的基准环境，一个置于光源能照射到的位置，便于实时校准。
根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，所述配置信息可通过上位机800进行设置，设置信息将通过串口芯片700与串行接口150传输至逻辑单元，并最终存储在外部存储模块500中。
进一步的，本实施例中与上位机的通信采用以太网接口，但也可以根据需要配置为通过USB通信。
根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，所述高精度时钟源600采用50MHZ晶振产生时钟信号；
根据本发明的一个实施例，在步骤S5中，发光器件采用单芯片白光LED。
另外，在本申请的描述中，术语“粗脉冲”、“细脉冲”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (3)

1.亚时钟超精细脉冲调控的光源系统，其特征在于，包括FPGA主控，用于接收环境光信号并由此调控产生可调脉冲信号，并发送至光源模块；光源模块与FPGA主控相连，用于接收脉冲信号，并根据该脉冲信号驱动发光元件产生可调光源；ADC与环境光传感器相连，用于将环境光传感器采集到的信息进行模数转换；外部存储模块用于储存配置信息，与FPGA主控相连；高精度时钟源与FPGA主控相连，为FPGA主控内部的细脉冲调节模块与粗脉冲调节模块提供源时钟；串口芯片与FPGA主控相连，用于实现上位机与FPGA主控的串口通信；上位机与串口芯片相连，用于设定配置信息；所述FPGA主控包括逻辑单元、串行接口、内存读写模块、粗脉冲调节模块、细脉冲调节模块、逻辑运算模块；其中逻辑单元被配置为接收ADC的光强度采样数据，动态调整向粗脉冲调节模块、细脉冲调节模块输出的配置信息；粗脉冲调节模块被配置为接收由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块；细脉冲调节模块用于被配置为接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，并以亚时钟脉冲为基准，生成相应的细脉冲信号，发送至逻辑运算模块；所述的逻辑运算模块通过逻辑与运算的方式，将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块。
2.亚时钟超精细脉冲调控的方法，其脉冲生成及逻辑运算过程如下：
步骤S10：粗脉冲调节模块接收到由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，以高精度时钟源为基准通过调制脉宽的方式，生成粗脉冲信号；
与此同时，细脉冲配置模块接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，并将控制信号分别发送至相移时钟与亚周期脉冲生成模块；相移时钟以高精度时钟源的时钟为基准，产生一个频率相同，相位不同的时钟信号；亚周期脉冲生成模块用于接收高精度时钟源产生的原始时钟信号与相移时钟产生的相移时钟信号，通过检测时移时钟信号在单周期内的跳变，单个时钟周期之内的脉冲信号通过组合逻辑遍程调节，单周期以上的脉冲信号通过另外的状态机进行调节，从而实现脉冲信号周期、宽度等调节，生成细脉冲信号；
步骤S20：逻辑运算模块将粗脉冲信号与细脉冲信号进行与运算，叠加之后输出至光源模块。
3.亚时钟超精细脉冲调控的方法，其光源调控过程如下：
S11：通过环境光传感器对环境光进行检测，收集环境光的照度，相对色温，显色指数以及相关指标，输出至ADC，由ADC进行数字化，并输出至FPGA主控；
S21：逻辑单元收集环境光信息，同时通过内存读写模块读取外部存储模块的设置信息相比较，生成两路脉冲配置信息，分别发送至粗脉冲调节模块与细脉冲调节模块；
S31：粗脉冲调节模块接收由逻辑单元发送的粗脉冲配置信息，并以高精度时钟源的时钟为基准，生成相应的粗脉冲信号，发送至逻辑运算模块；与此同时细脉冲调节模块接收由逻辑单元发送的细脉冲配置信息，配置产生相应的细脉冲信号发送至逻辑运算模块；
S41：在逻辑运算模块内将粗脉冲信号与细脉冲信号进行逻辑与运算，并将进行与运算的信号输出至光源模块；
S51：光源驱动模块接收逻辑运算模块输出的信号，并由此驱动发光器件产生可调光源。
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