數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計

1、第12卷第3期2012年1月16711815（2011）3-0560-04科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.12 2012No.3Jan.2012Sci.Tech.Engrg.數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計謝鵬程賴乙宗李迪（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640）摘要為了提高機(jī)器視覺中照明系統(tǒng)的質(zhì)量，獲得優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的圖像，設(shè)計了一種基于USB通信協(xié)議的LED光源控制器。該應(yīng)用PWM調(diào)光技術(shù)以避免模擬調(diào)光中的色偏現(xiàn)象，并實控制器采用基于ARMCortexM3內(nèi)核的STM32F107作為微控制器，現(xiàn)了普通、頻閃、外部觸發(fā)三種照明模式。在機(jī)器視覺

2、檢測系統(tǒng)的應(yīng)用表明該控制器不但能夠降低成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)PWM數(shù)字化精確調(diào)光，改善所提取圖像質(zhì)量。關(guān)鍵詞STM32USB20協(xié)議TP368.1；光源控制器文獻(xiàn)標(biāo)志碼機(jī)器視覺PWM調(diào)光中圖法分類號A模式和外部觸發(fā)模式。這種設(shè)計能夠靈活適應(yīng)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)在不同場合應(yīng)用中的需要。在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)應(yīng)用于工況監(jiān)視、器視覺系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡和圖像處理系統(tǒng)組成，通過光源、鏡頭及CCD等成像器件匹配圖像采集及處理系統(tǒng)來進(jìn)行產(chǎn)品的檢查、識別等，此技術(shù)可大大減輕人工目檢產(chǎn)品質(zhì)量的負(fù)擔(dān)，有效地提高檢測效率，并有利于生產(chǎn)管理。照明系統(tǒng)是機(jī)

3、器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，是保證采集圖像質(zhì)量和應(yīng)用效果的關(guān)鍵，而光源控其主要作用就是針對具體制器是照明系統(tǒng)的核心，應(yīng)用場合提供不同的照明亮度和照明方式，從而提獲得高質(zhì)量的圖像。當(dāng)前國內(nèi)高照明光源的品質(zhì)，多數(shù)廠商生產(chǎn)的光源控制器是手動調(diào)節(jié)或通過RS232與PC機(jī)通信進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用較為不方便，效率低，且成本較高。本文設(shè)計了一種新型光源控制該控制器以ST公司基于ARMCortexM3內(nèi)核器，的STM32微控制器STM32F107VCT6傳輸速度高過即插即用，211總體方案設(shè)計簡單地說，光源控制器的主要功能是接收PC主機(jī)發(fā)來的預(yù)先定義好的各種命令和設(shè)置參數(shù)，經(jīng)然后通過驅(qū)動電路控制LED光源過主控制器處

4、理，按照設(shè)定實現(xiàn)數(shù)字PWM調(diào)光。光源控制器按照體系架構(gòu)可以劃分為軟件部其中軟件部分又可以分為PC端用分和硬件部分，USB驅(qū)動程序，戶界面應(yīng)用程序，控制器硬件固件。硬件部分可以分為主控模塊和LED驅(qū)動模塊。主控模塊主要負(fù)責(zé)完成與PC機(jī)的通信，命令響應(yīng)，以它是整個控制器的核心部分。LED驅(qū)及事物管理，動模塊主要為LED光源提供合適的驅(qū)動方式。LED光源常用的驅(qū)動方式有電感式驅(qū)動和電荷泵式驅(qū)動，其中電感式驅(qū)動電路適合驅(qū)動若干個相串聯(lián)的LED。LED亮度控制方法可分為模擬調(diào)光和數(shù)字PWM調(diào)光3為核心，通的USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)PC端應(yīng)用軟件對光源控制器參數(shù)的實時設(shè)定。利用STM32片內(nèi)定時器

5、實現(xiàn)PWM數(shù)字調(diào)光，以及脈沖頻率，占空比的大范圍調(diào)節(jié)，并通過定時器之間的協(xié)同工作保證精確定時。此外，該控制器實現(xiàn)了三種照明模式，分別是普通模式、頻閃2011年10月1日收到國家863計劃項目（2009AA4Z111）、國家科技支撐計劃基金項目（2007BAH13B06）、中央高?；究蒲许椖浚?011ZM0056）資助第一作者簡介：謝鵬程（1988），男，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：兩種。模擬調(diào)光通過改變LED電流來調(diào)整亮度。其缺點在于LED會隨著正向電流改變而產(chǎn)生色偏現(xiàn)象，無法滿足精度的要求。PWM調(diào)光通過開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流導(dǎo)通時間以達(dá)到亮度調(diào)整效果。由于LED都是以恒定的

6、因此不會出現(xiàn)模擬調(diào)光技術(shù)的色偏移問電流導(dǎo)通，PWM恒流調(diào)光。光題。故本設(shè)計采用電感式驅(qū)動、源控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。，3期謝鵬程，等：數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計561圖1光源控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖可以單獨設(shè)置每個通道的亮度值，適用于持續(xù)照明即每次觸場合；外部觸發(fā)模式可以指定觸發(fā)時間，LED光源持續(xù)點亮的時間，發(fā)信號來后，適用于同機(jī)器視覺系統(tǒng)其它部分配合使用場合；頻閃模式用于單獨設(shè)置每個通道的亮度值，頻閃時間，頻閃周期和頻閃總時間，能夠大大延長光源的壽命。圖2硬件電路框圖3系統(tǒng)軟件實現(xiàn)本設(shè)計中使用Keil公司針對ARM硬件平臺推5出的RealViewMDK對STM32進(jìn)行軟件開發(fā)。31用戶界面應(yīng)

7、用程序用戶界面應(yīng)用程序?qū)庠吹脑O(shè)定參數(shù)按照2控制器硬件實現(xiàn)本光源控制器采用STM32F107VCT6作為主控數(shù)據(jù)幀格式封裝成數(shù)據(jù)包，然后通過全局唯一標(biāo)識并調(diào)用windows符GUID訪問對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，ReadFile，CreateFile系統(tǒng)提供的API函數(shù)：WriteFile，等同設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行通信控制器固件程序處理。32USB驅(qū)動程序本光源控制器為海量存儲設(shè)備類，采用USB協(xié)Only傳輸協(xié)議，議中的Bulk-設(shè)置端點1為IN端點，端點2為OUT端點。USB驅(qū)動程序基于WDM的驅(qū)動程序模型，主要包括功能驅(qū)動程序和總線驅(qū)動程序?？偩€驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)管理硬件與計算機(jī)的連接，

8、因此只有功能驅(qū)動程序需要根據(jù)不同的應(yīng)用目的進(jìn)行開發(fā)。DriverEntry是整個設(shè)備驅(qū)動程序的入口函數(shù)，完成一些初始化工作并注冊IRP的派遣函數(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序在和驅(qū)動程序通信時，會發(fā)出IO請求。操作即輸入輸出請求系統(tǒng)將IO請求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的IRP，包。不同類型的IRP被傳遞到不同的派遣函數(shù)內(nèi)，比如應(yīng)用程序調(diào)用CreatFile創(chuàng)建設(shè)備時，將派遣到BulkUsb_DispatchCreate（）例程7。這些調(diào)度例程傳遞給總線驅(qū)動。各派遣將IRP進(jìn)行相應(yīng)處理后，6制器。STM32系列微控制器基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARMCor-texM3內(nèi)核。本設(shè)計所選用的STM32F

9、107VCT6屬于STM32互聯(lián)型系列，具有72MHz的時鐘頻率，片上外設(shè)極為豐富。MCU的定時器工作于PWM在光源控制器中，模式，四個捕獲比較通道分別產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過光源驅(qū)動模塊后，可以分別用于控制四個不同的LED光源，實現(xiàn)PWM恒流調(diào)光。通過利用CortexM3內(nèi)核中的嵌套向量中斷控制器以及外部中斷/事件控制器，每個通用IO都可以方便地觸發(fā)中斷。本控制器設(shè)計了四路外部光電隔離觸發(fā)通道，提高了系統(tǒng)可靠性。外部觸發(fā)也可以由機(jī)器視覺系統(tǒng)中脈沖信號可以手動輸入，其他部分輸入，從而和相機(jī)等其他部件協(xié)同工作。USB具有即插即用，傳輸速度快，抗干擾能力兼容性良好等優(yōu)點，故本控制器利用強(qiáng)，STM32F

10、107VCT6內(nèi)置的USB-OTG全速設(shè)備4同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，符合工，最終將數(shù)據(jù)傳遞給562科學(xué)技術(shù)與工程12卷GPIO配置，中斷配置，獨立型看門狗的配時鐘配置，置，定時器的配置，以及USB的配置。硬件平臺配置完成后，進(jìn)入死循環(huán)中，不斷復(fù)位獨立型看門狗計數(shù)等待中斷打斷它的運行，這部分屬于前臺程序。器，當(dāng)上位機(jī)通過USB發(fā)送數(shù)據(jù)到端點EP2后，產(chǎn)程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序EP2_OUT_Call-生中斷，back中。在中斷服務(wù)子程序中，中斷響應(yīng)時間應(yīng)盡只是調(diào)用相關(guān)函數(shù)對接收到的數(shù)據(jù)按照自可能短，然后根據(jù)解析到的結(jié)果定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析，分發(fā)到相關(guān)子程序中做進(jìn)一步的處理，這部

11、分屬于后臺程序。子程序運行完后，重新回到前臺程序繼續(xù)等待新的中斷。中，圖3USB功能驅(qū)動派遣函數(shù)調(diào)用TIM1是實現(xiàn)光源控制器設(shè)計功能的核心之一，工作在PWM模式下，同時它是16位的定時器，因此能夠產(chǎn)生高分辨率的PWM信號輸出給led驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)光。PWM信號的頻率由定時器的時鐘頻率和TIM1的16位自動重裝載寄存器（TIM_ARR）共同確定。fpwm=fTIM_clock/（TIM_ARR+1）CCR）和TIM_ARR共同確定。fduty=TIM_CCR/（TIM_ARR+1）×100%（2）同時還可以通過設(shè)置控制寄存器的相應(yīng)位來設(shè)置計數(shù)器的計數(shù)方向，時鐘分頻數(shù)等，以產(chǎn)

12、生所需要的PWM波形。在頻閃模式和外部觸發(fā)模式中均需要利用其余TIM2，TIM3，TIM4，TIM5分的定時器實現(xiàn)定時功能，別用于控制光源控制器的四個通道。根據(jù)上位機(jī)選時間參數(shù)，將相應(yīng)的定時器配置為輸出擇的通道號，比較模式，可以實現(xiàn)各個時間參數(shù)的精確控制。（1）占空比由TIM1的16位捕獲比較寄存器（TIM_33控制器固件程序固件程序是燒寫到STM32中的下位機(jī)程序。目前大多數(shù)優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)都需要商用授權(quán)費，所以固件程序設(shè)計為前后臺系統(tǒng)。本控制器充分利用ST免費提供的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)固件庫和USB設(shè)備大大縮短了設(shè)計周期。整個固件程序的流固件庫，程如圖4所示。4圖4固件程序流程圖實驗結(jié)果本光源控制器

13、已應(yīng)用于干電池質(zhì)量檢測系統(tǒng)固件程序?qū)邮盏降纳衔粰C(jī)指令進(jìn)行解析，然后根據(jù)解析的結(jié)果操作相應(yīng)的片上外設(shè)。硬件復(fù)位后，首先產(chǎn)生復(fù)位中斷，然后在中斷向量表中取出復(fù)位中斷向量，再跳入其所指向的中斷響應(yīng)函數(shù)。在復(fù)位中斷響應(yīng)函數(shù)中先初始化系，由于電池的運動速度較快，為了獲得清晰的圖中，像必須把相機(jī)的曝光時間設(shè)為較小的值，需要很大且需要與檢測系統(tǒng)其它部件同步工作。的光照度，控制器采用外部觸發(fā)模式，將相機(jī)的對比度設(shè)為300，曝光時間設(shè)置為0192ms，光源的觸發(fā)點亮?xí)r1ms示a）3期謝鵬程，等：數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計563c）、d）為采用本光源控制器在亮拍攝的圖像，圖b）、60%，100%下拍攝的圖像。度

14、分別為20%，圖5干電池檢測圖像及其灰度直方圖通過對實驗結(jié)果的分析表明，與其他常規(guī)的光源控制器相比，通過調(diào)節(jié)本光源控制器的設(shè)定參數(shù)，能夠顯著改善曝光情況，獲得更為清晰穩(wěn)定的達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。圖像，效率高，成本低，具有較高的實際應(yīng)用價值。定，參1考文獻(xiàn)STMicroelectronicsSTM32Referencemanual意法半導(dǎo)體公2009司，5結(jié)束語本文針對當(dāng)前LED光源控制器普遍采用手動調(diào)2周立功USB20與OTG規(guī)范及開發(fā)指南北京：北京航空航天2004大學(xué)出版社，3程安寧，王晉，尚相榮白光LED的PWM驅(qū)動方式分析電子設(shè)2010；18（2）：109111計工程，整或采用PC通過RS

15、232接口進(jìn)行通信，使用不方效率低，成本較高的不足，設(shè)計了一種采用便、STM32F107VCT6為核心，采用USB進(jìn)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠纯刂破?。該控制器通過PWM對光源進(jìn)行精同時具有多種功能和控制模式，能夠確的數(shù)字調(diào)節(jié)，靈活應(yīng)用于機(jī)器視覺系統(tǒng)的各種工作場合。在干電池檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用表明，該光源控制器能夠很好地配合機(jī)器視覺系統(tǒng)中其他部分協(xié)同工作，調(diào)整效果穩(wěn)54龔躍玲，汪玲彥基于STM32的USBOTG數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)微2011；30（10）：23型機(jī)與應(yīng)用，王永虹，徐武安河，邰煒，郝立平STM32系列ARMCortexM3微控制器銘，于洪濤Windows2000/XPWDM設(shè)備驅(qū)動程序2008原理與

16、實踐北京：北京航空航天大學(xué)出版社，62003開發(fā)北京：電子工業(yè)出版社，7方旭基于STM32處理器的兩種USB通信方法的實現(xiàn)科技2010；（21）：23信息，DesignoftheDigitalLEDLightingControllerXIEPeng-cheng，LAIYi-zong，LIDi（DeptofMechanicalAutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，PRChina）AbstractInordertoimprovethequalityoflightingsysteminmachinevisionandobtainstableimage，theLEDlightingcontrollerbasedonUSBprotocolhasbeendesignedThelightingcontrollerusestheSTM32F107asmicro-controllerwhichisbasedonA