【《嵌入式光源控制系统设计案例》9200字】

嵌入式光源控制系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u14173嵌入式光源控制系统设计案例 145501.1硬件设计 1107641.1.1硬件选型 1299951.1.2硬件参数设定 3308911.1.3LED驱动方式 475531.1.4LED调光设计 5182271.2电路设计 7202051.2.1最小系统模块 72501.2.2电源模块 9184561.2.3USB模块 10287071.2.4LCD模块 10651.2.5温度检测模块 10301671.2.6光照检测模块 11100351.2.7光源驱动模块 1243381.2.8通信模块 13321751.3软件设计 1439001.3.1开发工具和环境介绍 1446681.3.2通信传输及协议 16259731.3.3PWM调光 171.1硬件设计1.1.1硬件选型（1）处理器选型单片机也被称作微控制器，90年代因消费类电子产品大发展，单片机技术也趁势崛起，从最开始应用在工业控制领域一直发展，如今应用技术已十分成熟，已广泛应用在智能控制、网络通信等各个领域[63]。根据单片机市场发展来看主要有，最早的51系列、AVR、MSP430单片机，目前最新的基于ARM架构的芯片作为核心，Cortex-M3作为内核的单片机，以功能强大、高性能、低成本和自身超高性价比的特点，迅速流行于市场。随着单片机市场的发展，8位51经典系列的单片机，已被市场渐渐淘汰，而流行一时的AVR系列和MSP系列单片机，也由于自身存在的缺陷而慢慢被市场淘汰。而STM32系列单片机，以ARMCortex-M内核，满足了市场对嵌入式应用要求低成本、低功耗、高性能的需求。该系列具有非常丰富的外设功能，可根据应用需求进行裁剪。因此，通过比较，选择STM32F1系列单片机，最高主频率可达到72MHz，具有运算速度快、计算能力强、丰富外设功能等特点，同时还可以移植RTOS和UCOS实时系统，完全满足设计的需求[64]。（2）工业相机与镜头选型随着工业自动化水平飞速发展，工业相机在工业制造中的应用更加广泛。而且随着光电领域的崛起，工业相机种类也日新月异，通常按照芯片类型划分为CCD传感器相机和CMOS传感器相机，这两种传感器相机具有不同的性能，具体特点如表4-1所示。表4-1CCD与CMOS类型信号速度耗电量灵敏度分辨率噪声成本CCD模拟高高高高低高CMOS数字低低低低高低从表4-1可知，CCD传感器的综合性能更适合于工业制造中取像。故选用CCD作工业传感器相机。CCD在取像之后，会将图像信息通过接口按既定格式传送给处理器。但传送时的接口种类不同所达到的效果也不同。GIGEVision接口，是基于千兆以太网的图像传输技术[65]，该接口具有更高的数据传输速度和更长的数据传输距离这两大优势，而且在进行传输数据时，CPU占用率小，这就为之后处理其他操作使用CPU留下了足够的资源提供了保障。本文采用GIGE千兆网口。结合实际应用情况的需求，从所述元件特性综合考虑，本文选择面阵工业CCD相机。选用迈德威视公司的产品MV-GED501C-T彩色工业相机，相机快门为全局快门，传感器面积为8.4平方毫米，分辨率和帧率为2448×2048@15FPS，数据接口使用的是RJ45，可兼容100M网络制，像素是500万，曝光的时间范围在0.0002-10000ms，采集模式支持连续性、软触发、硬触发，还有其他应用功能。选定所用相机后，必须按其特点选择合理适用的匹配镜头。光学镜头在成像时的作用就等同人在观察外物时的晶状体，在图像采集整个模块中有至关重要的作用[66]，是相机成像的基础，它的性能会直接对相机成像的整体性能有所影响。目前的市场上流行着不同的工业镜头，各性能之间存在不同，应用时要从它的特点、相关参数、特性方面综合考虑。镜头主要是依据各自性能不同特点优势进行分类，有C、CS接口，C和CS的不同处就是镜头和相机接触面到镜头焦平面的距离，C接口为17.5毫米，CS型接口为12.5毫米。根据设计需求和相机镜头之间的配合，本文镜头选择迈德威视公司的MV-LD-25-5M-K工业镜头，镜头焦距为25mm，光圈为F1.4-F1.6，最小物距为200mm，最小畸变最低可达0.02%，接口为C接口，CCD靶面尺寸为2/3”，光圈、聚焦都是手动（锁紧结构），全视场分辨率达140lp/mm，足够保证图像清晰度，相机和镜头连接如图4-1所示。图4-1相机和镜头组合图1.1.2硬件参数设定在进行相应功能需求的选型之后，需要对其相关参数分析计算。确保设计的精度。主要包括图像采集模块的工业相机和镜头的参数计算，照明模块的光源参数计算这两大部分。本课题根据设计需求，所采用面阵CCD相机的分辨率为2448×2048@15FPS，靶面尺寸为2/3”（对角线长度为11mm，长为8.8mm，宽为6.6mm），镜头的焦距是25mm。为了能够确保图像在取像时候可以拍摄到整幅范围，要求设计的相机取像的横向视野最低要等于待检测物宽度。即检测物大小在工业相机视野范围内。视野（FieldofView，简称FOV）。 （4-1）式（4-1）中，可将焦距为f=25mm，相机型号尺寸H×V=8.8×6.6mm，在工作状态下镜头到被测物地距离考虑空间利用率后，长度可达到1200mm。代入公式（4-1），视野计算结果是FOV=422.4×316.8mm，将安装好的面阵CCD相机垂直于被测物的上方进行固定安装，并使其两者间距离为1200mm，共安装三个面阵相机，并且相邻CCD面阵相机之间的间距约为600mm，具体模型示意图如图4-2所示。图4-2模型图相机取像之后，将图像数据转换成方便传输的数字信号以供传输。成像几何模型是进行摄像机标定的基础，并且还可以提取出包含在其中的三维信息。这种模型是光学成像几何的转化。工业相机将被测物图像信息转换为数字信息主要是通过世界、相机、图像物理、像素四个坐标系间的互相坐标转换，即可方便传输图像信息。1.1.3LED驱动方式根据半导体电学特性，驱动方式主要分为直流稳压和恒流这两种[67]。如图4-3和4-4所示，图4-3恒压源电路模型图4-4恒流源电路模型LED工作状态下，随着温度升高，电流下降，电压升高，达到一定的临界状态会直接损坏LED。可知LED无法像其他光源一样可以直接与市电相连为其供电。直流稳压方式通过提供给LED负载稳定的电压，使其发光。但在实际供电中，电压值并不稳定。从LED特性知，LED发光时的电流和电压是非线性关系，电压的不稳定会导致LED电流发生突变，无法为LED提供恒定的电流。因此，不宜采用这种方式。而直流恒流驱动的方式可以确保为其提供恒定的电流，同时，采用这种方式能够方便进行调控。LED恒流驱动中的调节有：电阻限流、线性控制、电荷泵变压与开关变换四种[68]。电阻限流是通过确定LED工作电压值，以所能供给的电流计算出电阻两端的电压，然后连接可变电阻达到控制LED电流的目的，这种方式精度和发光质量都不高，无反馈且电阻产生的能耗较大；线性调节方式引入反馈，调节可变电阻进行控制，稳定通过LED的电流。LED与其连接方式又分为串联和并联型两种，这种方式加入了可控电流的可变电阻和限流电阻，可能会降低驱动的效率；电荷泵是通过电容的升压作用驱动LED，同样有反馈提供调节稳流的环节，这种只能让电压阶跃式突变；开关变换调节与以上三种方式不同，是利用控制功率开关的通断来调节电流，且具有多种电路结构，损耗低、转换效率高、可适应各种需求。DC-DC开关变换器根据电气隔离方式分为隔离和非隔离两类，按其电路拓扑结构不同，又细分为各种电路结构。非隔离型开关电源有：Buck、Boost、Cuk、Zeta、Soice型这六种，隔离型有：正激、反激、半桥、全桥这四种电路拓补结构。两种类型的区别在于非隔离型较隔离型存在一定的电气安全性问题，在设计时要注意电磁干扰所带来的问题。恒流驱动中的开关电源结构，电源使用效率接近百分之九十。而且输出的电流很稳定。又因电路结构中所采用的储能元器件不同，分为电感式和电容式两种。通过分析比较，电感式较电容式更具有负载能力强，输出的电流更稳定且抗干扰能力更好。故采用电感式开关电源的方式驱动LED。1.1.4LED调光设计通常情况下，设计所使用的光源是用LED灯珠组成阵列的方式进行集中照明。因此，在对光源进行设计调光时，需要先对光源的阵列方式进行设计分析。为了保证设计所需足够的光照强度，目前采用多个灯珠芯片组成串联、并联以及混联（串并联组合）组合方式。图4-5串联方式如图4-5所示，LED全部运用串联的方式。这种连接方式所流过每个LED的电流都是相同的。分到每个LED的电压会不同，因电流一致，亮度基本相同。但由于是全部串联，其中若有一只发生问题，则可能导致其他全部不会发光。通常的解决办法就是每个LED并联一个启动电压比其更高的齐纳二极管。假如所选电压值低于并联的LED，则LED不发光。相较而言，这种方式会消耗一定的成本，不适用于目前数量较多的阵列排布方式。如图4-6所示，采用全部并联的方式。这种方式特点是各支路电压相同，当总电流一定时，为了保证亮度一致，各支路电压也须相同。但由于各启动电压存在一定差异，而且启动电压和结温成反比例关系，进而影响流过各支路电流也不相等，结果导致亮度不同。所以还需挑选启动电压一致的LED。如果其中一只损坏，在稳压电源下，所输出电流减小，其他各LED正常工作。如果是恒流源下，因电流不变，分配到其他LED上的电流会增大，容易烧坏。解决办法就是并联尽可能多得支路，使得剩下的LED所分到的电路并不大，不会影响其他LED工作。图4-6并联方式（a）先串后并联结构（b）先并后串联结构图4-7混联方式如图4-7所示，混联有先串联后并联与先并联后串联两种方式。先串联后并联的这种方式以稳压电源驱动，如果串联支路某一个LED故障，驱动输出电流将减小，剩下的均可以正常工作。而先并联后串联会因为LED的一致性问题，个别支路中可能会出现短路，导致整个电路不能正常工作。计算得出LED芯片个数为150个，因此，本文采用的结构是先串联后并联。LED调光的主要功能是根据视觉系统中对发光亮度的不同需求，以适应当下的工作状态。根据目前所掌握的技术，主要调光方案有模拟调光、数字调光以及可控硅调光。根据这三种调光方式进行分析比较，其特点如表4-3所示。表4-3调光特点调光类型耗电量设计难度误差模拟低一般较大可控硅较高一般一般PWM低简单较小模拟调光技术，根据LED的电流值与亮度是正比相关，改变流过电流的时间周期，完成亮度的调节。方式相对简单容易，实现成本也不高。可控硅调光属于物理性质方式的调光，适用于白炽灯的调光。一般由两个晶闸管反向连接构成，通过改变输入的电压控制可控硅导通角度偏离正弦波的方法调光。PWM（数字调光）。即脉冲宽度调制，通过PWM控制LED驱动功率开关的时间比率来实现控制调光。为了避免人感受到在调光过程中的闪烁现象，频率必须以大于100MHz。分析这三种类型可知，模拟调光已经远达不到技术发展所要求的精度，而且随着时间推移，流过的正向电流会发生变化，发生色衰，也可能产生闪烁现象，颜色变化比较明显；而可控硅调光方式，依据近些年来的应用，是利用热辐射发光的纯阻性白炽灯等的调光方式。调光方式是依靠其原理方法，即控制波形相位的方式。这种方式目前不太适合LED控制调光；PWM数字调光，则类似于开光电源，通过调节高低电平占空比使其较稳定的输出电流，且不会发生色变形、偏移等现象，控制精确，调光范围也大。综合比较，本文选择PWM调光控制方式。图4-8LED驱动电路为使流过LED的驱动电流在额定范围内，且稳定的电流可以让LED亮度一致，需要设计适合的电路，选择驱动芯片HV9910，这款芯片输入电压范围大，效率达90%以上，支持恒流驱动LED，具备良好的工艺性能，抵抗外部干扰的能力强，如图4-8所示。光耦一端通过NPN型三极管将单片机传输过来的PWM小信号放大，经驱动芯片控制光源。芯片5号引脚PWM_D提供脉冲宽度调制功能，可由程序设定。1.2电路设计本节主要是对光源控制的相关电路进行设计，根据需求可以将其分为以下模块：最小系统、电源、USB、LCD、温度检测、光照检测、光源驱动、通信，下面就这几个模块进行对应的设计。1.2.1最小系统模块STM32F1系列中的F103ZET6芯片作为核心，其功能非常丰富，具备的配置包括：64KBSRAM、512KBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。该芯片十分强大，使用资源非常丰富，足以满足设计的需求。最小系统模块主要包括复位电路、晶振电路及调试电路。内部晶振使用8MHz，经分频后，达到72MHz，其中32.768KHz是为实时时钟提供对应信号。图中的电阻作用是减小谐振阻抗。复位电路主要采用上电复位方式，由于STM32用低电平复位，为了简化设计难度，在设计时电路也用低电平复位。电路中的R3和C12组成上电复位，发光二极管D1用来显示复位的状态，当RESET输出的是低电平，D1导通，表明处于复位的状态，当输出的是高电平，则熄灭。STM32系列处理器支持JTAG和SWD（串行调试）两种调试模式。优势之处在于这两种调试模式的接口可共用。SWD是ARM公司提出的另一种调试接口。在高速模式下，SWD相较JTAG调试模式可靠性更优。故选择SWD调试模式。图4-9晶振电路图图4-10复位电路图图4-11调试电路图如图4-11所示，通常标准SWD连接电路通常需要四根线，四根信号如下：SWDIO：串行数据输入输出，仿真信号的双向数据信号线；SWCLK：串行时钟输入，仿真信号的时钟信号线；SWO：串行数据输出引脚，CPU调试接口可通过SWO引脚输出一些调试信息；RESET：仿真器输出至CPU的系统复位信号；再加一个GND公共地信号。调试采用标准的20引脚的连接器。相较于SWD调试如，具体调试CPU单步运行过程，可选用JTAG调试，将TDI和TRST接口连接到STM32，就能使用该模式进行调试，通过观察具体寄存器的状态来检查存在的问题。在具体的调试应用中，可以根据需要进行选择。1.2.2电源模块本文中设计用到的不同类型电源有24V，5V，3.3V，其中24V为LED驱动模块供电，3.3V为微处理器和光照和温度检测模块进行供电，单片机在工作状态下需要3.3V的电压，5V为LCD和其他外围器件供电。通过MP2359将24V转变为5V电压，而AMS1117-3.3V芯片则将5V电压转换成3.3V。MP2359的工作电压范围是1.5V到24V的输出电压，而且输入和输出电压的最大压差可达20V。考虑到在供电的过程中电路要达到稳定可靠的标准，采用DC-DC模块对24V进行转换，将其转为5V由外部直流电源24V输入。如图4-12和4-13所示，有U12、U13这两个稳压芯片，可以对电压进行转换，输出所需要的电压值。图4-1224V转换为5V图4-135V转换为3.3V1.2.3USB模块USB模块的设计，如图4-14所示。符合USB2.0标准。它由四根线组成，VCC/GND，以及D+，D-。进行数据传输时主要依靠D+，D-这两根数据线。USB_D+和USB_D-连接在MCU的USB口（PA12/PA11）上。图4-14USB电路图1.2.4LCD模块薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）。TFT-LCD和其他无源的显示器不同，它在显示屏每一个象素上都设置一个薄膜晶体管（TFT），能有效地克服干扰，提高图像质量。TFT-LCD也被称做真彩液晶显示器。用16位的并方式与外部连接。如图4-15所示，它是一个通用的接口，支持包括当前主流的五种尺寸的系列TFTLCD模块。LCD接口连接在芯片的FSMC总线上面。图中的T_MISO、T_MOSI、T_PEN、T_SCK、T_CS连接在MCU的PB1-2、PF9-11，实现对制液晶触摸屏的控。LCD_BL连在MCU的PB0上，控制LCD的背光。RESET连接与MCU共用复位电路。图4-15LCD电路图1.2.5温度检测模块LED在工作状态下会随着时间发热，光照强度和发热之间成正比例关系。这就是电光之间转换效率低的原因。所以，要保障LED不会因发热而导致照明状态不稳定，需要设计一个温度检测电路。本文使用的DHT11传感器包含一个NTC测温元件。采用单总线数据格式，减少设计难度。图4-16温度检测电路温度传感器用来测量环境温度的变化，为光源控制提供环境反馈数据，使得能够及时调整，1WIRE_DQ是传感器的数据线，如图4-16所示，这个信号连接在STM32的PG11上。1.2.6光照检测模块通过对环境的光照进行检测，得到检测光照值。将其转换为数字信号反馈给单片机。由此，做出调整占空比调整LED发光强度。因此，选用BH1750环境光照传感器，接口是通过I2C进行传输，所检测范围大，完全满足检测需求。图4-17光照检测电路如图4-17所示，传感器共有6个引脚，各个引脚对应功能如表4-4所示。电源端负责为光照检测电路供电，在进行检测时，通过IIC地址端口和SCL时钟端确认后实时测量数据，然后再经SDA数据端将所得测量数据传输给确定传输地址后的单片机，进而由单片机进行分析与研究，在检测的同时，DVI复位端确保工作电压的稳定，使检测过程保持稳定，不会发生数据丢失的情况。在本文中，光照检测的工作是确保调整光照量值的重要参考依据，应当确保所得实验的数据详实可靠。因光照阈值会受到不同被测物的影响，在实际测量中，要根据被测物体的不同特征来确定最后的对应光照量值。表4-4BH1750引脚功能表引脚名称功能1VCC电源2ADDRIIC地址端3GND接地4SDA数据端5DVI复位端，IIC参考电压6SCL时钟端1.2.7光源驱动模块本文通过前文中的分析，确定电感式驱动方式，根据功率需求，采用HV9910驱动芯片，具体电路图在第1.1.4节中，关于电路的分析和设计，采用24V开关电源进行供电。通过该电路设计，由光耦直接驱动，故不需要再另外设计驱动电路，由单片机可以直接驱动。PWM驱动信号由STM32发出，输出一个可调的占空比。由其中的TIMx_ARR寄存器决定频率，TIMx_CCRx决定占空比。单片机STM32的PWM模式通常有两种。这两者之间的区别是由TIMx_CCRx寄存器中的OcxM位来判定，110表示模式1，111则为2。这两者之间的区别是：110模式，向上计数状态下，TIMx_CNT小于TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效；当向下时，其结果大于时为无效的，此时OC1REF=0，其他情况则为有效的，此时OC1REF=1。第二种模式的结果正好与第一种相反，两者之间是互补的关系。图4-18PWM通道输出部分如图4-18所示，PWM工作时各个寄存器通道的功能。CCR1寄存器是捕获、比较值寄存器，设置比较值；CCMR1寄存器：OC1M[2:0]位，用于设置PWM模式1或者2；CCER寄存器：CC1P位：输入、捕获1输出极性。0表示高电平有效，1表示结果与之相反。CCER寄存器：CC1E位：输入、捕获1输出使能。0代表关闭，1代表打开。对PWM进行配置输出的步骤为：（1）捕获/比较模式寄存器1在信号输出时确定PWM的模式、使能相应的预装载寄存器等操作。（2）在信号输出时捕获/比较使能寄存器确定PWM的输出极性和输出使能。（3）在信号输出时捕获/比较寄存器1确定比较的值。通过以上相关配置，根据TIMx_CCR1寄存器中的CMS位的状态，则输出不同的PWM信号。图4-19PWM波形如图4-19所示，寄存器TIMx_ARR=8，向上计数配置。当TIMx_CR1寄存器中的DIR位为低的时候开始向上计数。当TIMx_CNT小于TIMx_CCRx时，PWM信号参考OCxREF为高，否则为低。如果TIMx_CCRx中的比较值大于自动重装载值(TIMx_ARR)，则OCxREF保持1。如果比较值为0，则OCxREF保持0。在PWM两种模式下，TIMx_CNT和TIMx_CCRx始终会进行比较，（依据计数器的计数方向，本文应用向上计数的方向）以确定是否符合TIMx_CCRx小于大于或者大于小于TIMx_CNT。通过设置，将不同的PWM波形输出到光源驱动模块，再由其经光耦电路放大信号，驱动大功率的光源，实现控制调节功能。1.2.8通信模块通信模块作为各个部分之间连接的重要媒介，其重要性可见一斑。本文中与控制系统相连的通信方式有多种，有USB、串口、CAN通信、以太网等。USB发展到如今的阶段，已经更新换代到第四级，单片机自带标准符合USB2.0规范。一般标准是由四根线组成的，虽然它的安装操作方便，但是它的传输要求非常严格，导致其传输距离不能太高。而且，造成偏差的概率很大，且驱动开发比较复杂，应用成本相对过高，所以本文不采用此种传输方式。CAN通信具有传输距离长、实时性和抗干扰能力强的特点，设计复杂，适用于大型现场控制。串口通信目前应用最广泛的是RS232和RS485，这两种不同的传输方式主要的区别就是在于两者不同的电气属性上。其他方面并没有太大的区别。它还有一个容错性高的特点，这在实际应用当中会十分方便。图4-20通信模块通过以上比较，从成本、难易程度、应用场合等方面考虑，选择串口（RS232）作为通信方式。串口通信一般通过一个电平转换芯片将STM32与计算机连接起来。有SP3232、MAX3232芯片，此处选用SP3232。如图4-20所示，图中COM2是母头，COM3是公头，SP3232芯片内部有两个电荷泵，会将信号转换成所需电平，提供给RS232通信使用。1.3软件设计1.3.1开发工具和环境介绍本文的光源控制系统开发环境是使用keilMDKuVision5版本，软件界面如图4-21所示，此环境有着界面简洁、操作便捷、调试方便、连接简单等诸多优点，还有在线调试功能，同时，它还具有一键下载代码到单片机的功能，使得这一软件开发环境具备良好的人机交互功能。因这一软件具备良好的兼容性和交互性，所以完全能够安装到PC机，并且与单片机直接连接，这一功能节省了大量的安装测试时间，且修改重载方便。通过试验测量，各项软件功能完全能够满足设计需要。图4-21软件界面图KEIL公司开发出的RealViewMDK集成开发环境。简称MDK，此集成环境具有良好的交互使用功能。本文在进行设计时所应用的版本是MDK5，这版uVision5IDE适用基于ARM架构以CortexM内核的处理器。从图4-21中可知，keiluVision开发环境由MDK核心和软件包构成，软件包可单独进行升级，这更加有利于软件的移植升级。它向后兼容1.0和3.0的版本，这使得以前的项目只需添加所需的头文件即可再次运行。MDK的核心由编辑器、编译器、包安装器、调试跟踪器四个部分组成。从1.7版本开始添加了许多实用功能，这对技术开发人员进行设计开发有着相当的好处。MDK的5.0版本核心是一个独立安装包，降低了文件的大小。以上各个所需组件安装完成之后，要进行嵌入式设计开发还需安装STM32F1支持包Keil.STM32F1xx_DFP.1.0.5.pack，安装好之后就可以进行STM32F103的开发设计。MDK有一个强大的功能就是提供软件仿真，能够很方便的检查程序可能的错误，而这样避免了下载到STM32里来查找这些错误。在线调试可以使用debug功能，可以实现在线单步仿真，通过查看程序控制的硬件相关寄存器，检测出所写代码是否真正运行有效，避免下载到内部存储器上导致的频繁刷机带来的不良影响。通过USB、JTAG、SWD、串口等都可以下载程序到STM32控制