CN106132000B - 一种数字化无线led光源控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业品表面质量检测的机器视觉光源控制，具体地说是涉及一种数字化无线LED光源控制器，包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括上位机、无线串口通信模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、LED光源、显示模块和供电电源模块；软件部分包括上位机软件，嵌入式控制单元程序和LED灰度值的调节算法。操作者使用上位机软件给嵌入式控制单元发送指令，嵌入式控制单元在接收指令处理数据后输出相应占空比的PWM波，从而控制LED光源的亮度。本发明发热小、结构合理、能够同时精确稳定地控制四路通道的LED光源，特别是控制指令数据采用非接触式的无线输入，省去了布线的困难，在实际安装使用过程中更加简单。
Description
技术领域
本发明涉及工业品表面质量检测的机器视觉光源控制，具体地说是涉及一种数字化无线LED光源控制器。
背景技术
机器视觉系统是利用机器代替人眼获取客观事物的图像，通过计算机和图像处理技术对获取的图像进行处理、分析和识别的系统，包括照明、镜头、相机、图像采集卡和视觉处理器五大部分，每部分均可能影响图像处理的结果，甚至导致机器视觉系统的不稳定。其中光源控制器是最关键的环节之一。
现有的光源控制器存在发热量明显，控制指令输入模块与控制器之间布线麻烦的问题。在工业现场，由于安装环境的限制，有时需要将调节光源亮度的控制信号输入模块与光源控制器的其他模块分离安装。
发明内容
本发明为了解决现有的光源控制器在工业现场应用时发热明显，控制指令输入模块与控制器之间布线麻烦的问题，提出了一种数字化无线LED光源控制器。
一种数字化无线LED光源控制器，包括软件部分和硬件部分；所述硬件部分包括包括上位机、无线串口通信模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、LED光源、显示模块和供电电源模块；所述上位机通过无线串口通信模块与嵌入式控制单元双向连接，用于发送指令和接收数据；所述嵌入式控制单元通过光源驱动电路与LED光源连接，利用PWM控制技术调节LED光源的亮度；所述显示模块由数码管显示电路构成，与嵌入式控制单元连接，用于显示出通道序号和LED光源的亮度值；所述供电电源模块分别与无线串口通信模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、显示模块连接，提供稳定电源；
所述软件部分包括上位机软件，嵌入式控制单元程序和LED灰度值调节算法；所述上位机软件用于选择LED光源通道，发送调节LED光源亮度的控制指令；所述嵌入式控制单元程序用于分析、处理接收到的控制指令，然后根据处理的结果调节PWM波的占空比，从而调节LED光源的亮度；所述LED灰度值调节算法，是利用LED光源灰度值与PWM占空比之间的关系，通过间距划分多级的占空比调节可以实现LED光源灰度值的调节；
所述嵌入式控制单元采用LPC2148芯片作为核心控制芯片，所述LED灰度值调节算法包括如下步骤：
S1设置PWM波为单边沿控制的，在PWM周期的开始时都是高电平，并且每个PWM的周期不变，周期大小由以下公式给出：
fcclk表示LPC2148芯片的系统时钟频率，n表示核心控制芯片LPC2148的PWMMR0寄存器的值，TPWM表示每个PWM的周期；
S2将PWM波的周期数字化为256份，通过设置核心控制芯片LPC2148的PWM匹配寄存器来控制每个PWM周期中高电平的时间，在嵌入式控制单元程序中，PWM匹配寄存器的值由以下公式给出：
i＝1,2,3,4,5,6；N＝0,1,2,3...255；N表示LED光源的灰度值，PWMMRi表示PWM匹配寄存器的值；
S3实现间距为的0～255级占空比调节，从而实现0～255的LED光源灰度值的调节，PWM波的占空比为：
DutyRatio表示占空比。
进一步地，所述硬件部分还包括红外控制模块，红外控制模块分为红外遥控按键和红外接收电路，所述红外接收电路与嵌入式控制单元连接，红外遥控按键用于发送指令，红外接收电路用于接收指令并发送给嵌入式控制单元。操作者除了可以通过上位机无线远程控制发送指令给嵌入式控制单元，还可以使用红外控制模块遥控发送指令，支持多种发送指令的模式，节省布线的麻烦。
进一步地，所述上位机软件包括界面初始化、串口初始化、选择LED光源通道和发送控制指令四个部分。
进一步地，所述嵌入式控制单元程序包括设备初始化，检测控制指令、解析控制指令和调节PWM波占空比四个部分，设备初始化包括I/O口初始化、锁相环初始化、红外引脚初始化、串口初始化和脉宽调制初始化。
进一步地，所述LED光源有四路，光源驱动电路包含四通道的驱动电路，用于提供四路LED光源的供电电压。
进一步地，所述无线串口通信模块分为上位机无线串口模块和下位机无线串口模块，上位机无线串口模块与上位机之间双向连接，下位机无线串口模块与嵌入式控制单元的串口之间双向连接，从而实现上位机和嵌入式控制单元之间数据的双向通信。
进一步地，所述嵌入式控制单元采用LPC2148芯片作为核心控制芯片，其输出的PWM波的频率最高达到105数量级。嵌入式控制单元采用LPC2148作为核心控制芯片，用于分析、处理上位机通过无线串口模块发送的和操作者通过红外遥控按键发送的调节LED光源亮度的控制指令，根据分析处理的结果输出相应占空比的PWM波，从而调节LED光源的亮度；同时，嵌入式控制单元可以控制显示模块，让其显示出通道序号和LED光源的亮度值。另外，嵌入式控制单元可以同时独立输出四路不同占空比的PWM波，并且可以实时地调节各路PWM波的占空比，从而达到实时独立地调节四路LED光源亮度的目的。由于采用PWM控制技术调节LED光源的亮度，故本光源控制器的发热并不明显。另外，PWM波的频率可以高达105数量级，足以精确稳定的控制LED光源的亮度，因此在图像采集的过程中，基本不会出现频闪现象。
进一步地，所述光源驱动电路包含高频开关电路。
与现有技术相比，本发明结构合理、能够同时独立精确稳定地控制四路通道的LED光源，采用PWM控制技术调节LED光源的亮度，其发热量小；又因为采用非接触的方式(无线串口通信和红外遥控)输入控制指令数据，克服了布线过程的复杂性，同时不受安装环境的限制。因此，在工业检测的安装使用过程中更加灵活。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图；
图2是本发明的上位机软件流程图；
图3是本发明的上位机软件界面图；
图4是本发明的嵌入式控制单元程序流程图。
具体实施方式
本发明提出了一种数字化无线光源控制器，下面结合附图说明具体实施方式。
本发明的包括硬件部分和软件部分，如图1所示，所述硬件部分包括包括上位机、无线串口通信模块、红外控制模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、四路LED光源、显示模块和供电电源模块。
无线串口通信模块分为上位机无线串口模块和下位机无线串口模块，上位机无线串口模块与上位机之间双向连接，下位机无线串口模块与嵌入式控制单元的串口之间双向连接，从而实现上位机和嵌入式控制单元之间数据的双向通信；
红外控制模块分为红外遥控按键和红外接收电路，红外接收电路与嵌入式控制单元连接，红外遥控按键用于发送指令，红外接收电路用于接收指令并发送给嵌入式控制单元；
所述嵌入式控制单元采用LPC2148芯片作为核心控制芯片，其输出的PWM波的频率最高达到105数量级；嵌入式控制单元的PWM波输出接口与光源驱动电路的输入端口连接；
所述光源驱动电路由高频开关电路和驱动电路构成，用于提供四路LED光源的供电电压，其输出端与四路LED光源的受电端相连；
同时，嵌入式控制单元还与显示模块单向连接，控制其显示出通道序号和LED光源的亮度值；
供电电源模块的受电端与外电源相连，而供电端同时与显示模块的受电端、嵌入式控制单元的受电端、光源驱动电路的受电端和无线串口通信模块的受电端相连，为这些模块提供所需电压，以保证它们的正常运行。
本发明的软件部分包括上位机软件，嵌入式控制单元程序和LED灰度值调节算法。所述上位机软件用于选择LED光源通道，发送调节LED光源亮度的控制指令；所述嵌入式控制单元程序用于分析、处理接收到的控制指令，然后根据处理的结果调节PWM波的占空比，从而调节LED光源的亮度；所述LED灰度值调节算法，是利用LED光源灰度值与PWM占空比之间的关系，通过间距划分多级的占空比调节可以实现LED光源灰度值的调节。
如图2所示，上位机软件包括界面初始化、串口初始化、选择LED光源通道和发送控制令四个部分。首先对软件界面和串口进行初始化设置，在初始化完成后，判断串口是否已经打开。若未打开，重新初始化串口；若串口已经打开，则选择LED光源通道号，发送调节LED光源亮度的控制指令。
如图3所示，上位机软件的界面包括LED光源灰度值手动输入栏1、LED光源灰度值滑动输入栏2、LED光源通道选择栏3、发送数据4、串口开关5、状态栏6和波特率选择栏7。操作者首先通过波特率选择栏7选择串口通信的波特率，通过串口开关5打开上位机的串口，然后通过LED光源通道选择栏3选择LED光源的通道，接着通过LED光源灰度值手动输入栏1或者通过上下滑动滑块输入LED光源灰度值，最后点击发送数据4，这样便可发送数据。另外，操作者可以从状态栏6中得到上位机串口的状态和LED光源通道的序号。
如图4所示，嵌入式控制单元程序包括初始化(I/O口初始化、锁相环初始化、红外引脚初始化、串口初始化和脉宽调制初始化)、检测控制指令、解析控制指令和调节PWM波占空比四个部分。首先对嵌入式控制单元的I/O口、锁相环、红外引脚、串口和脉宽调制进行初始化，然后检测串口和红外引脚是否有控制指令的输入。如果没有检测到控制指令的输入，则继续检测是否有控制指令输入；倘若检测到控制指令的输入，则对控制指令进行解码和分析，最后根据分析的结果调节PWM波的占空比。
相应的LED灰度值调节算法实施步骤如下：
S1设置PWM波为单边沿控制的，在PWM周期的开始时都是高电平，并且每个PWM的周期不变，本发明设置嵌入式控制单元的核心控制芯片LPC2148的PWMMR0寄存器为256，从而输出的PWM波的周期为256个系统时钟周期，其大小由以下公式给出：
fcclk表示LPC2148系统时钟频率，n＝256，TPWM表示每个PWM的周期；
S2将PWM波的周期数字化为256份，通过设置核心控制芯片LPC2148的PWM匹配寄存器来控制每个PWM周期中高电平的时间，在嵌入式控制单元程序中，设置PWMMR2，PWMMR4，PWMMR5，PWMMR6的值，以控制四路PWM波的占空比。PWMMR2，PWMMR4，PWMMR5，PWMMR6的值由以下公式给出：
i＝1,2,3,4,5,6；N＝0,1,2,3...255。N表示LED光源的灰度值，PWMMRi表示PWM匹配寄存器的值；
S3实现间距为的0～255级占空比调节，从而实现0～255的LED光源灰度值的调节。PWM波的占空比为：
DutyRatio表示占空比；
上式表明了LED光源灰度值与PWM占空比之间的关系，通过间距为的0～255级的占空比调节可以实现0～255的LED光源灰度值的调节。
操作者可以通过上位机软件发送调节LED光源亮度的控制指令，这些控制指令经过和上位机双向连接的上位机无线串口模块发送，当与嵌入式控制单元双向连接的下位机无线串口模块接收到这些控制指令后，会将其通过URAT口发送给嵌入式控制单元。嵌入式控制单元接收到调节LED光源亮度的控制指令后，经过嵌入式控制单元程序的分析、处理，随后做出相应的响应，即向光源驱动电路输出相应占空比的PWM波，从而调节LED光源的亮度。另外，操作者也可以通过红外遥控按键发送调节LED光源亮度的控制指令，而红外接收电路则负责接收红外遥控按键发送的控制指令，并且将其发送给嵌入式控制单元。嵌入式控制单元程序对接收到的控制指令进行解码、分析和处理之后，输出相应占空比的PWM波给光源驱动电路，进而控制LED光源的亮度。
本发明采用非接触的方式输入控制指令数据，克服了布线过程的复杂性，同时不受安装环境的限制，在工业检测的安装使用过程中更加灵活。
Claims (8)
1.一种数字化无线LED光源控制器，其特征在于，包括软件部分和硬件部分；
所述硬件部分包括上位机、无线串口通信模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、LED光源、显示模块和供电电源模块；所述上位机通过无线串口通信模块与嵌入式控制单元双向连接，用于发送指令和接收数据；所述嵌入式控制单元通过光源驱动电路与LED光源连接，利用PWM控制技术调节LED光源的亮度；所述显示模块由数码管显示电路构成，与嵌入式控制单元连接，用于显示出通道序号和LED光源的亮度值；所述供电电源模块分别与无线串口通信模块、嵌入式控制单元、光源驱动电路、显示模块连接，提供稳定电源；
所述软件部分包括上位机软件，嵌入式控制单元程序和LED灰度值调节算法；所述上位机软件用于选择LED光源通道，发送调节LED光源亮度的控制指令；所述嵌入式控制单元程序用于分析、处理接收到的控制指令，然后根据处理的结果调节PWM波的占空比，从而调节LED光源的亮度；所述LED灰度值调节算法，是利用LED光源灰度值与PWM占空比之间的关系，通过间距划分多级的占空比调节可以实现LED光源灰度值的调节；
所述嵌入式控制单元采用LPC2148芯片作为核心控制芯片，所述LED灰度值调节算法包括如下步骤：
S1设置PWM波为单边沿控制的，在PWM周期的开始时都是高电平，并且每个PWM的周期不变，周期大小由以下公式给出：
<mrow>
<msub>
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</mrow>
fcclk表示LPC2148芯片的系统时钟频率，n表示核心控制芯片LPC2148的PWMMR0寄存器的值，TPWM表示每个PWM的周期；
S2将PWM波的周期数字化为256份，通过设置核心控制芯片LPC2148的PWM匹配寄存器来控制每个PWM周期中高电平的时间，在嵌入式控制单元程序中，PWM匹配寄存器的值由以下公式给出：
<mrow>
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</mrow>
i＝1,2,3,4,5,6；N＝0,1,2,3...255,N表示LED光源的灰度值，PWMMRi表示PWM匹配寄存器的值；
S3实现间距为的0～255级占空比调节，从而实现0～255的LED光源灰度值的调节，PWM波的占空比为：
<mrow>
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<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>N</mi>
<mn>256</mn>
</mfrac>
</mrow>
DutyRatio表示占空比。
2.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述硬件部分还包括红外控制模块，红外控制模块分为红外遥控按键和红外接收电路，所述红外接收电路与嵌入式控制单元连接，红外遥控按键用于发送指令，红外接收电路用于接收指令并发送给嵌入式控制单元。
3.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述上位机软件包括界面初始化、串口初始化、选择LED光源通道和发送控制指令四个部分。
4.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述嵌入式控制单元程序包括设备初始化，检测控制指令、解析控制指令和调节PWM波占空比四个部分，设备初始化包括I/O口初始化、锁相环初始化、红外引脚初始化、串口初始化和脉宽调制初始化。
5.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述LED光源有四路，光源驱动电路包含四通道的驱动电路。
6.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述无线串口通信模块分为上位机无线串口模块和下位机无线串口模块，上位机无线串口模块与上位机之间双向连接，下位机无线串口模块与嵌入式控制单元的串口之间双向连接，从而实现上位机和嵌入式控制单元之间数据的双向通信。
7.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述嵌入式控制单元采用LPC2148芯片作为核心控制芯片，其输出的PWM波的频率最高达到105数量级。
8.根据权利要求1所述的光源控制器，其特征在于，所述光源驱动电路包含高频开关电路。
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