智能燈光檢測儀的設(shè)計與應(yīng)用

牟向陽 張珊珊 曹 健 陳百偉

（中電裝備山東電子有限公司，山東濟(jì)南250109）

0 引言

1 產(chǎn)品工作原理

被監(jiān)測的LED光通過反光鏡聚集，然后被收集到的光在光導(dǎo)纖維中全反射傳播進(jìn)入光電倍增管，微處理器可以通過程序控制多路開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，有選擇性地打開幾只開關(guān)，被打開的開關(guān)選擇對應(yīng)通道，LED光便會進(jìn)入I/V轉(zhuǎn)換電路，將光電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)過二級運放，將電壓信號進(jìn)行放大，向下送給微處理器，微處理器內(nèi)置數(shù)字信號處理器，利用特定的算法生成所需的數(shù)字信號的狀態(tài)量，傳遞到上位機(jī)進(jìn)行分析做出判斷，當(dāng)LED燈光亮?xí)r上位機(jī)則通過菜單顯示正常，否則為顯示異常。同時可以驅(qū)動揚聲器進(jìn)行聲音報警或者開啟報警燈進(jìn)行聲光報警，以防人為因素導(dǎo)致漏掉LED顯示異常的設(shè)備。該儀器可將3盞LED信號燈的實時狀態(tài)信息和預(yù)先設(shè)置的設(shè)備故障狀態(tài)信息進(jìn)行比對，如果發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測設(shè)備運行異常，它就通過以太網(wǎng)或RS485接口傳遞給計算機(jī)。在上位機(jī)上運行的應(yīng)用軟件收到告警數(shù)據(jù)包便可啟用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送告警消息，通知操作人員及時處理故障，如果計算機(jī)不能接收告警信息，告警信息會被存放在識別器的Flash存儲區(qū)內(nèi)，并定時發(fā)送直到該服務(wù)器數(shù)據(jù)庫恢復(fù)工作，進(jìn)行信息備份。最終識別出該LED的狀態(tài)信息：發(fā)光顏色和是否點亮。整機(jī)原理如圖1所示。

圖2為該檢測儀硬件原理框圖。

圖1 整機(jī)原理圖

儀器儀表等常見設(shè)備的運行狀態(tài)一般都會通過它們面板上的LED信號燈反映出來，檢測機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)車間要求工作人員對有功、無功、跳閘、背光等信號指示燈進(jìn)行逐一檢查，定位故障。不言而喻，人工目檢信號燈很費時間，連續(xù)長時間檢查，工作人員易因疲勞、粗心等原因出現(xiàn)遺漏和差錯，而且人工檢測也會出現(xiàn)檢測不及時、不可靠等問題。

所謂“智能檢測”，只要將帶有LED燈的儀器儀表放在檢測儀對應(yīng)位置，通過檢測信號燈的狀態(tài)即可發(fā)現(xiàn)LED元器件的好壞。因此，利用此種檢測儀器能夠避免人為檢測產(chǎn)生的紕漏，節(jié)省人力，而且檢測速度快，大概0.5～3 s就可以檢測一只設(shè)備，該方案也能為及時查找儀器儀表其他故障提供有效幫助。

圖2 硬件原理框圖

反光鏡：是采光裝置，為了獲得近似平行光束的光線，一般采用非球面反光鏡，非球面反光鏡光斑小，聚光效果好，能夠有效地將光束聚集在光導(dǎo)纖維上。光導(dǎo)纖維如圖3所示。

光導(dǎo)纖維是利用光的全反射原理，當(dāng)光線由光密媒質(zhì)（折射率為n1）射入光疏媒質(zhì)（折射率為n2）且入射角大于臨界角（i）的時候，就會生全反射現(xiàn)象[1-2]，如圖4所示。

臨界角由下式?jīng)Q定：

式中，n2?n1。

圖3 光導(dǎo)纖維

圖4 全反射原理圖

2 檢測的原理

在測量過程中，有兩個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時計數(shù)。首先給出閘門開啟信號（預(yù)置閘門上升沿），此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號（下降沿）到時，計數(shù)器并不立即停止計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程?？梢钥闯?，實際閘門時間τ與預(yù)置閘門時間τ1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過被測信號的一個周期。設(shè)在一次實際閘門時間τ中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns[3]，標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fs，則被測信號的頻率為：

由式（1）可知，若忽略標(biāo)頻fs的誤差，則等精度測頻可能產(chǎn)生的相對誤差為：

式中，fxe為被測信號頻率的準(zhǔn)確值。

在測量中，由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在閘門時間τ內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差（τ=NxTx）；對fs的計數(shù)Ns最多相差一個數(shù)的誤差，即，其測量頻率為：

將式（1）和（3）代入式（2），并整理得：

由式（4）可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān)，即實現(xiàn)了整個測試頻段的等精度測量。

多路開關(guān)內(nèi)部含有3組單刀雙擲開關(guān)，3組開關(guān)具體接通哪一通道，由輸入地址碼ABC來決定，微控制器輸出地址譯碼信號選擇相應(yīng)的通道打開與關(guān)閉。因為光電倍增管輸出微弱的電流信號，所以要將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號才能進(jìn)行檢測。如果利用負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻較大而光電流信號較小時，則會影響光電倍增管的頻率響應(yīng)和線性度。二級運放將轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號進(jìn)行放大，便于微控制器內(nèi)部的A/D能夠有效采集。FLASH采用鐵電存儲器、SPI通信方式，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命，由于現(xiàn)場需要采集每塊設(shè)備LED燈的信息，因此數(shù)據(jù)量很大；微處理器與上位機(jī)直接的交互采用RS485工業(yè)總線或USB接口通信方式。整機(jī)產(chǎn)品如圖5所示。

3 產(chǎn)品主要特點

（1）物理隔離：被檢測設(shè)備的LED光信號通過光導(dǎo)纖維傳遞進(jìn)入檢測儀，與檢測設(shè)備無任何電氣連接，能夠防止設(shè)備電源異常引起設(shè)備故障及其他原因?qū)е碌墓收袭惓，F(xiàn)象。

圖5 整機(jī)產(chǎn)品圖

（2）方便、省時、省力：對設(shè)備生產(chǎn)過程無需進(jìn)行硬件接線，不需人為目檢和巡檢。

（3）高可靠性：能夠?qū)⒚恐槐淼腖ED狀態(tài)信息分別進(jìn)行存儲和備份，通過上位機(jī)即可操作剔除不良品，大大提高了生產(chǎn)效率，能夠提升公司自動化生產(chǎn)能力。

4 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

可識別7種LED顏色，分別為紅、黃、白等；可識別LED狀態(tài)：常亮、常滅；同時識別路數(shù)：4路（由于國網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)取消了報警燈）。

報警方式：（1）微處理器主動上報；（2）本地聲光揚聲器、霓虹燈報警。

備份報警信息功能：可以備份儲存10 000只設(shè)備的報警信息。

通信物理接口：10/100M以太網(wǎng)（TCP/IP）、RS485（國網(wǎng)645新規(guī)約）、標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口。

正常工作電源：交流220 V/直流5 V，功耗小于1.5 W。

智能設(shè)備生產(chǎn)管理系統(tǒng)：LED信號燈狀態(tài)監(jiān)控軟件界面。

5 結(jié)語

本文通過分析LED燈光特性和燈光檢測理論知識，設(shè)計出儀器儀表的檢測電路，可以對設(shè)備LED插裝生產(chǎn)、調(diào)試、檢驗等過程進(jìn)行自動點檢、巡檢，取代人工巡檢，進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，能夠完全取代現(xiàn)有檢查工藝，自動檢測每只設(shè)備的LED工作狀態(tài)，保證檢測質(zhì)量。