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LED自动检测机的设计与实现

发布时间:2017-3-27 15:3:52  浏览:

LED 自动检测机具有亮度高、色纯度高、成本低、节能环保等优点,早已在照明、显示器、指示灯等方面广泛应用。在 LED 指示灯应用生产企业中,如电脑主机指示灯线板生产企业中,自动化程度已经非常高,达 90%以上。已基本上实现 LED的入料、冲压、成型、焊接、组装、输出等步骤一体化、机械自动化生产,但在产品检测方面却停留在半自动化甚至需要人工参与的阶段。即用具有 LED 电参数测试功能的线材测试机(使用线材测试机是因为线材测试机有64 个输出点位,可同时测试 32颗 LED)去测量 LED 的电参数(即导通压降,导通电流,反向电流,反向压降),然后用人眼去测量光色参数。人眼测量具有速度慢,且不能定量参数指标,无法出测试报告等缺点,从而影响产品的品质和生产效率。鼎力自动化公司设计 LED全自动检测机具有 16 个测试通道,可同时自动测试 16 颗 LED 指示灯的电参数和光参数功能,且有多功能反馈输入输出接口。并已在 2014 年 6 月正式投入到深圳市诚创立科技有限公司的 LED 指示产线上,实际应用表明该测试仪的应用可以大大地节省了人工成本,并提高了生产的生产效率。

1  测试原理

本设计采用串联 4 线制测试原理,如图 1 所示。

 LED检测机测试原理

信号源为恒压或恒流,信号源输出信号到被测 LED,同时有一路信号到 MS 接口(测试仪的一个接口);LED 的负端接采样电阻网络最后到地,同时有一路信号接 SR 接口(测试仪的一个接口),电阻网络(即并联的多个电阻)的上下两端分别接RFR 接口和 RFG 接口(测量电路的两个接口)。然后 MS 与 SR 差分放大处理后得出被测 LED 两端的电压 Vx,RFR 与 RFG 差分放大处理后得出采样电阻两端的电压 Vt,那么 Vx 即为 LED 的导通压降,It=Vt/R 即为 LED 的电流(反向漏电流)。被测 LED 所发出来的光通过导光光纤导到颜色传感器的测试窗口,颜色传感器在 FPGA的控制下,读出光的亮度和颜色等参数。最后实现 LED 指示灯的电光色参数自动化同时测量。

2  系统实现

本文设计的 LED自动机整体系统结构如图 2所示。

 

 LED自动机整体系统结构

以 FPGA 为系统的控制核心,除了核心的 FPGA 模块还有外围的电源模块、存储器模块、键盘显示模块、32 路颜色检测传感器模块、网络接口模块、模拟信号产生模块、输入输出分配模块、反馈输入输出模块和 32 个测试输出端口。

FPGA 模块负责整个系统的运算和控制, FPGA 为本仪器的核心,内建 32 位的嵌入式处理器 Nios II  负责所有控制与运算。在性价比和系统稳定性方面综合考量,采用 Altera 公司的Cyclone V 系列的 FPGA--5CGXFC7D6F31, 该芯片有非常高的性价比,拥有 149.5K 个 LE、56,480 个 ALM、7,696 KB 片内存储器、9 个高速收发器、7 个锁相环 (PLL)、312 个 18x18 乘法器、560个引脚,最多能提供 480 个 IO 口,完成满足设计中输出接口和TFT 显示屏的 IO 口需要。

电源模块提供系统电源,将交流工频 220V 的市电转换成稳定的 ±12V 和 5V。±12V 主要供给模拟信号系统,5V 分独立的两路,一路给模拟系统,另一路给数字系统。存储器模块提供程序存储和数据存储,分 64M 的 FLASH 存储器和 256M 的 DDR3 存储器,FLASH 储存器负责程序存储和某些档案数据的掉电存储 ;

DDR3 存储器负责 Nios II 嵌入式系统运行中的数据存储器和TFT显示屏的显存,采用2个128M的DDR3存储器--MT41J256M4,该芯片具有 16 位总线宽度,两片并在一起组是32 位宽的总线。

当运行在 400MHz 的频率下时,整个 DDR3 存储器能提供超过12.8Gbps 的存储速度,能满足系统运行和 TFT 屏显示的要求。

键盘显示模块负责基本人机界面的驱动,主要是 5*5 矩阵键盘的扫描,给用户提供25 个按键使用。同时负责 TFT液晶屏的驱动,可驱动640*480 分辨率 16 位色的常规 TFT 液晶屏。

颜色检测传感器模块负责 LED指示灯光色参数的测量,采用美国 TAOS 公司生产的一种可编程彩色光到频率的传感器TCS230。该传感器具有分辨率高、可编程的颜色选择与输出定标、单电源供电等特点;它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的 CMOS 电路上,同时在单一芯片上集成了红绿蓝 (RGB) 三种滤光器。 TCS230 的输出信号是数字量,可以直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。电路接口图如图 3 所示,模块将负责把TCS230 采集的 RG(B红绿蓝三基色)的分量信号转换为 HSL(亮度、饱和度、色相)信号最后供主控模块判断。

 电路接口图

网络接口模块负责以太网通信,配合 FPGA 内建的以太网驱13动器 IP 核,外接千兆以太网 PHY 芯片 88E1111 组成,实现千兆以太网的网络通信,可提供网络通信,仪器网络化互联,远程升级等功能。

由 FPGA 内部的 AD/DA 控制模块和外部的模拟信号输出输入模块一起组成,主要是用于测量 LED 指示灯电参数的采集电路和数控可调的恒压信号和恒流信号电路,采用高精密DAC 加运放射极推动三极管的方式,产生 0-10V/50mA,分辨率为 10mV, 步进为20mV 的恒压信号。采用高精密DAC 加运放与三极管分压的方式,产生 0-50mA/10V, 分辨率为 0.1mA, 步进为 0.2mA 的恒流信号。

结构图如图 4 所示。

 LED自动机结构图

输入输出分配模块负责外部32 个 IO 口、16 路测量回路和4 线制测试的切换,采用分时复用方式,实现最多同时测试 16 个LED 指示灯。

反馈输入输出模块,输入采用光隔输入,输出采用继电器的干节点输出。主要是用于与外部其它自动化设备互联。输入输出接口都可进行选择电平,脉冲触发方式,电平又可进行高电平或是低电平有效选择,脉冲也可选上升沿或是下降沿。16 路的输出通道可用于多种功能的指示输出,如合格输出、不合格输出、测试完输出、测试进行时输出和机器故障输出等等。

3  软件设计

本系统的软件采用模块化设计,并采用至顶向下的设计方法。软件都是 FPGA 内完成的,很多电路处理采用硬件软件化的技术在FPGA内完成。软件结构图如图5所示,软件设计分两大部分,一个基于 VHDL 的 FPGA 设计,另一个基于 C 语言的 Nios II 的程序设计。

3.1 FPGA 设计

FPGA 的设计主要是采用 VHDL 语言设计,有传感器读取控制器和 TFT 驱动控制器和测量电路控制和反馈输入输出控制状态机。用 Mealy 状态机实现对 16 个 TCS230 读写操作,自动完成数据读取并保存在数据寄存器中,供主控程序使用。用Moore 状态机实现 5*5 矩阵键盘的扫描,该状态机能自动识别键盘的变动,并输出中断信号给 NiosII 主控器。

3.2 Nios II 的程序设计

Nios II 的程序主要有主控程序、通信程序、界面程序和数据读取程序等 4 大块。数据读取程序负责从测量电路和输入输出电路中读取电压或电流数据。通信程序是负责通信功能,一个是网络通信和串口通信,根据主控程序要求实现数据对接。界面程序负责界面的绘制与显示。

主控程序是系统运行的主程序,负责调用各个子程序完成系统的运行,如读取键盘扫描的按键信息,判断用户的操作意图,然后通知界面程序完成界面的操作显示。主程序流程图 6 所示。

 LED自动机主程序流程图

系统上电开机后首先要进行系统初始化,如内部寄存器的复位清零和外部设备的复位为下一步的测试做准备。然后是进行系统菜单界面显示,并判断是否启动测试,如果不需要启动测试就一直停在界面显示步骤;如果启动测试,则先读取测试档案,得出各参数的标准值。接着是控制第 1(N)点位输出,测试第(1N)颗 LED,并读取被测 LED 的电参数和光参数,与标准值进行比较,并将测试结果更新在测试结果显示界面。最后是判断所有点位测试是否完毕,如果没完成则继续进行等(N)点位输出测试 ;如果完成测试,则将测试结果通过反馈输出节点输出给其它自动化设备,并返回到主界面。

4  结语

本文设计并实现了一种基于FPGA 的 LED自动机,详细介绍了系统的测试原理和整体架构,给出了相关重要部件的实现方法。实际应用表明该测试仪可以同时测量 16 颗 LED指示灯的电、光色参数,并具有参数测量准确、速度快和有反馈输出与自动化设备互联,提高企业生产效率的优点。

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