基于ATmega16的多路LED光源控制器

李 程，韓震宇，鄒龍飛

（四川大學(xué)，四川成都 610065）

基于ATmega16的多路LED光源控制器

李 程，韓震宇，鄒龍飛

（四川大學(xué)，四川成都 610065）

為了控制半導(dǎo)體外觀缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)中的照明光源，介紹了一種以ATmega16單片機(jī)為核心，使用恒流方式控制LED照明光源的多路LED光源控制器。敘述了光源控制器的總體設(shè)計(jì)方案、主要硬件電路、軟件流程框圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該光源控制器擁有良好的調(diào)節(jié)光源亮度以及保持光源亮度的性能。

單片機(jī)；D/A轉(zhuǎn)換；恒流源；光源控制器

0 引言

在半導(dǎo)體生產(chǎn)行業(yè)中，由于其產(chǎn)品的復(fù)雜性和小型化以及生產(chǎn)過(guò)程的高速化，如果使用人工視覺(jué)對(duì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品進(jìn)行在線檢測(cè)顯然是難以滿足要求的。相比人工視覺(jué)檢測(cè)，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)具有精確性、可重復(fù)性、高速性和客觀性等特點(diǎn)，因此，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要包括照明光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī)、圖像采集/處理卡、圖像處理軟件以及其他外部設(shè)備。照明光源雖然是輔助成像器件，但是它對(duì)成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用。光源控制器的作用是給照明光源供電，調(diào)節(jié)照明光源的亮度并且使照明光源始終保持該亮度，保證在長(zhǎng)時(shí)間采集圖像的情況下，圖像的質(zhì)量不會(huì)因?yàn)楣庠戳炼鹊淖兓霈F(xiàn)波動(dòng)。本系統(tǒng)采用恒流方式驅(qū)動(dòng)LED照明光源，通過(guò)控制流過(guò)照明光源的電流，使其保持恒定，來(lái)保證照明光源亮度的穩(wěn)定。

1 光源控制器總體設(shè)計(jì)

使用光源控制器的最主要目的是調(diào)節(jié)照明光源的亮度并且使亮度保持穩(wěn)定。希望通過(guò)PC來(lái)調(diào)節(jié)照明光源的亮度，因此，采用RS232串口來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與光源控制器的控制核心ATmega16之間的通信。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：PC機(jī)向光源控制器發(fā)送控制命令，單片機(jī)接收到正確的控制命令之后對(duì)該命令做出響應(yīng)，使用SPI通信向數(shù)模轉(zhuǎn)換器發(fā)送數(shù)據(jù)，改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出到恒流電路的基準(zhǔn)電壓，最終通過(guò)恒流電路達(dá)到調(diào)節(jié)照明光源亮度并且保持亮度的目的。在需要的情況下，還可以通過(guò)外部觸發(fā)信號(hào)點(diǎn)亮或熄滅照明光源，滿足多光源照明時(shí)各照明光源之間的配合要求。

系統(tǒng)主要原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件電路

2.1 單片機(jī)選型

該光源控制器選用AVR系列中高檔單片機(jī)ATmega16作為控制核心。ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的一款基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位微處理器，采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線[1]。程序存儲(chǔ)器里的指令通過(guò)一級(jí)流水線運(yùn)行，CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令，實(shí)現(xiàn)了指令的單時(shí)鐘周期運(yùn)行。ATmega16具有16 k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM，1 k字節(jié)的片內(nèi)SRAM，串行通訊設(shè)備USART，串行外設(shè)接口SPI，32個(gè)可編程的I/O口，獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器以及支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試及程序下載的JTAG接口。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.2 恒流電路

前面提到過(guò)，在對(duì)LED照明光源的控制過(guò)程中，需要保證照明光源亮度的穩(wěn)定，這樣每一次采集的圖像質(zhì)量才能有保證。單純采用恒定電壓供電也可以驅(qū)動(dòng)LED照明光源，但是生產(chǎn)線上的照明光源連續(xù)工作時(shí)間很長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，很難保證照明光源的工作電流不發(fā)生變化。一旦光源的電流發(fā)生變化，其照明亮度也就隨之產(chǎn)生變化，這樣就會(huì)影響采集圖像的質(zhì)量。所以，采用恒流[2]的方式驅(qū)動(dòng)LED照明光源。

恒流電路圖如圖2所示。

圖2中：

VoA——數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的基準(zhǔn)電壓；

Vf——運(yùn)算放大器U1負(fù)端的反饋電壓；

V1——取樣電阻R5端取樣電壓；

R3=R6，R4=R7。

利用運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的分析依據(jù)可以得知[3]，當(dāng)電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)：

由以上三式，照明光源電流I可表示為：

由此可見(jiàn)，只要通過(guò)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出基準(zhǔn)電壓VoA的數(shù)值，就可以改變流過(guò)照明光源的電流大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)照明光源亮度的目的。當(dāng)基準(zhǔn)電壓VoA保持不變時(shí)，照明光源的電流也將保持恒定。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

在實(shí)際應(yīng)用中，需要光源控制器對(duì)多個(gè)工位的多個(gè)照明光源進(jìn)行控制，因此需要多路輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)滿足這個(gè)要求，AD7399就是這樣一款數(shù)模轉(zhuǎn)換器。AD7399[4]是四通道、10位電壓輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用3～5 V單電源供電或者正負(fù)5 V雙電源供電，適合單電源或雙電源系統(tǒng)應(yīng)用，具有成本低、易于使用的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中使用兩片AD7399，能夠產(chǎn)生8路獨(dú)立的輸出電壓。其中一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 恒流電路圖

其滿量程輸出電壓由外部參考電壓Vref決定，Vref的電壓范圍應(yīng)在Vss和Vdd之間，四路輸出的參考電壓可以相互獨(dú)立。雙緩沖串行數(shù)據(jù)接口使用串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）、時(shí)鐘（CLK）、和片選（CS）三線信號(hào)，提供高速、三線、SPI、微控制器兼容輸入。由于是兩塊AD7399，因此片選信號(hào)（CS）與裝載DAC寄存器數(shù)據(jù)信號(hào)(LDAC)使用獨(dú)立的單片機(jī)引腳而SDI和CLK共用單片機(jī)的SPI接口。

圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

DAC的輸出電壓，如VoA的計(jì)算如下所示：

其中，D是DAC的輸入數(shù)據(jù)，其變化范圍在0到1 023之間，步長(zhǎng)為1。那么，式（4）中，電流值I的表達(dá)式可以寫(xiě)成如下形式：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用AVR Studio作為軟件開(kāi)發(fā)工具。AVR Studio是ATMEL公司的AVR單片機(jī)集成環(huán)境匯編及開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件，包括AVR assembler編譯器、AVR Studio在線調(diào)試功能、串并下載功能、JTAG ICE仿真等功能。

本系統(tǒng)能夠自動(dòng)保存各通道的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)及亮度數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)讀取EEPROM中的相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)初始化各通道的狀態(tài)和亮度，這樣就可以在設(shè)置過(guò)各通道的狀態(tài)及亮度之后，每次上電不需要再次設(shè)定各個(gè)通道的狀態(tài)和亮度，方便用戶使用。在調(diào)節(jié)LED照明光源亮度的時(shí)候，可以使用直接調(diào)節(jié)亮度（粗調(diào)）或者亮度自增自減（微調(diào)）兩種調(diào)節(jié)方式，將光源亮度調(diào)節(jié)到合適值。改變照明光源亮度之后，系統(tǒng)將向上位機(jī)返回該通道目前的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)以及其亮度數(shù)據(jù)，以供用戶查看，若需要查看所有通道的狀態(tài)及亮度，可以使用各通道狀態(tài)及亮度查詢命令進(jìn)行查詢。由于本系統(tǒng)對(duì)命令的執(zhí)行依據(jù)是從USART接收到的數(shù)據(jù)幀，為了保證該數(shù)據(jù)幀的正確，軟件設(shè)計(jì)時(shí)不僅對(duì)每一字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，還對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)幀的幀首、幀尾和幀長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)所控制的LED照明光源額定電流為40 mA，因此電路設(shè)計(jì)最大輸出略大于40 mA。在試驗(yàn)過(guò)程中，將參考電壓VrefA設(shè)為+5 V，分別試驗(yàn)本系統(tǒng)的恒流效果和調(diào)節(jié)效果。

將恒流電流調(diào)節(jié)到40 mA，每隔30 min測(cè)量一次，取樣電阻5.6Ω，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。可見(jiàn)在較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電流保持恒定不變，因此，所控制的LED照明光源的亮度也會(huì)保持不變[5]。

表1 電流穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

改變DAC輸入數(shù)據(jù)D，控制AD7399輸出線性變化的基準(zhǔn)電壓VoA，使通過(guò)LED照明光源的電流隨之線性變化，達(dá)到精確調(diào)節(jié)照明光源亮度的目的。表2為DAC輸入數(shù)據(jù)與恒流電流值的關(guān)系，實(shí)際電流值通過(guò)測(cè)得的取樣電阻兩端電壓值V1與取樣電阻阻值R5計(jì)算得到。圖5為表2中數(shù)據(jù)做出的折線圖，從中可以看到，實(shí)際電流線與理論電流線基本重合，實(shí)際電流值隨著DAC輸入數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)而線性增大，符合式（6）中電流值I與DAC輸入數(shù)據(jù)D的變化關(guān)系。

表2 DAC輸入數(shù)據(jù)與恒流電流值的關(guān)系

圖5 DAC輸入數(shù)據(jù)與恒流電流值的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，本文提出了一種以ATmega16為控制核心，使用恒流方式控制LED照明光源的多路LED光源控制器設(shè)計(jì)方案，并且制作出的實(shí)體已經(jīng)應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)線上的檢測(cè)系統(tǒng)中。實(shí)際使用證明，該光源控制器能夠很好的接受半導(dǎo)體外觀檢測(cè)系統(tǒng)的控制，輔助其進(jìn)行圖像采集工作，表現(xiàn)出響應(yīng)速度快、控制精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］Atmel Corporation.ATmega16A［Z］.愛(ài)特梅爾公司. 2009.

［2］田俊杰，董威，陳靜，等.基于場(chǎng)效應(yīng)管的恒流源設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35（1）：118-121.

［3］秦曾煌.電工學(xué)電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］孫紅霞，李田.具有12位/10位分辨率的四組串行輸入DACs芯片AD7398/AD7399［J］.國(guó)外電子元器件，2002（1）：39-41.

［5］田立東，周繼軍，秦會(huì)斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2012（04）：465-468.

The Multichannel LED Light Controller Based on ATmega16

LI Cheng，HAN Zhen-yu，ZOU Long-fei
（Sichuan University，Chengdu610065，China）

In order to control the LED light source of semiconductor appearance defect detection system，this paper introduced a multichannel LED light controller based on ATmega16 microcontroller and using constant current mode to control LED light source.This paper described the design scheme，the main hardware circuits and the software's flowchart.The experimental results showed that the controller has a good performance in light source brightness adjustment and the brightness maintaining.

microcontroller；D/A conversion；constant current source；light controller

TP21

A

1009－9492(2014)02－0040－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.012

李 程，男，1989年生，四川德陽(yáng)人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化。

(編輯：向 飛)

2013－08－12