基于LabVIEW的VLC—LED模組結(jié)溫非接觸式測量系統(tǒng)設(shè)計

郭杰 馬軍山 饒豐

摘要：可見光通信中LED模組結(jié)溫影響其光、色、電特性及工作壽命，對模組結(jié)溫的測量及管理十分重要。因LED模組管腳存在無法接觸測量的缺點(diǎn)，LED結(jié)溫非接觸式測量方法廣受關(guān)注。在研究雙光譜參數(shù)測量LED結(jié)溫的基礎(chǔ)上，開發(fā)了VC-LED模組結(jié)溫的非接觸式測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由恒流源控制、光譜數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理3個模塊組成。經(jīng)實驗驗證，雙光譜參數(shù)法與中心波長法相比，兩者結(jié)果偏差在3℃以內(nèi)。采用該系統(tǒng)測量LED模組結(jié)溫，不但直觀、準(zhǔn)確，且不需要接觸LED管腳，實現(xiàn)了LED模組結(jié)溫的非接觸測量。

關(guān)鍵詞：結(jié)溫測量；非接觸式；LabVIEW；發(fā)光二極管陣列；曲線擬合

DOIDOI：10.11907/rjdk.181963

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）010-0117-04

英文摘要Abstract：In visible light communication， the junction temperature of LED module affects its color and electrical characteristics and lifetime， which is very important for measuring and managing the junction temperature of modules.Because of the failure to contact the LED module pins， the non-contact measurement method has attracted people′s attention. Based on the non-contact LED Array junction temperature testing method，a non-contact detection system for VLC-LED module junction temperature is developed. The system consists of three modules，i.e.， control of current source， spectral data acquisition and data analysis and processing. Experimental results show that the deviation between the two spectral parameters method and the central wavelength method is less than 3 degrees. Therefore， using this system to measure the junction temperature of LED module is not only intuitive and accurate， but also does not need to contact the LED pin， thus achieving the non-contact measurement of the junction temperature of the LED module.

英文關(guān)鍵詞Key Words：junction temperature measurement；non-contact junction temperature detection；LabVIEW； light emitting diode arrays；curve fitting

0 引言

可見光通信（VLC）技術(shù)由于其較強(qiáng)的抗干擾性、環(huán)保、低耗能等優(yōu)點(diǎn)，成為目前通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。LED模組是可見光通信的主要器件。PN結(jié)溫度是影響LED光色電特性及工作壽命的重要因素[4-7]，不能對VLC-LED模組結(jié)溫準(zhǔn)確測量及有效管理已成為阻礙其發(fā)展的最大問題。目前，LED結(jié)溫測量的國際標(biāo)準(zhǔn)方法是正向電壓法[8]，但在測量時往往受到燈具外殼及產(chǎn)品封裝等限制，一般難以接觸LED管腳，不能實現(xiàn)LED引腳兩端電壓的測量[9]，同時其測量條件是在小電流狀態(tài)下進(jìn)行，無法及時掌握現(xiàn)場運(yùn)行的LED燈具結(jié)溫，這些問題嚴(yán)重限制了正向電壓法的應(yīng)用。因此，非接觸式LED結(jié)溫測量方法受到研究者關(guān)注。在LED陣列結(jié)溫研究方面，2004年Hong[10]提出峰值波長法表征AlGaInP基LED陣列結(jié)溫，但陣列峰值往往較為平坦且不止一個，測量困難；2013年，Chen[11]提出中心波長法，采用歸一化光譜1/2高處的極限波長的平均值作為陣列平均結(jié)溫。近年來，本課題組提出采用質(zhì)心波長和相對光譜差異表征AlGaInP基LED陣列平均結(jié)溫，結(jié)果比中心波長法更為準(zhǔn)確[12-13]。在系統(tǒng)設(shè)計方面，2013年張晶晶[14]采用LabVIEW設(shè)計了基于峰值波長法的LED非接觸式檢測系統(tǒng)。2016年李達(dá)波[15]采用CMOS相機(jī)成像方法開發(fā)了LED結(jié)溫非接觸式測試系統(tǒng)，其測量誤差在10℃以上。2017年溫懷疆[16]設(shè)計了VLC-LED快速脈沖響應(yīng)測量結(jié)溫裝置，然而，該方法需要通過接觸方式測量模組結(jié)電壓。目前，對于LED模組陣列結(jié)溫的非接觸式測量系統(tǒng)還未見報道。

本文基于雙光譜參數(shù)法[17]對VLC-LED模組結(jié)溫進(jìn)行測量，采用LabVIEW軟件設(shè)計了VC-LED結(jié)溫非接觸式測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需通過驅(qū)動恒流電源，利用光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)即可得到LED結(jié)溫，具有快速、實時且不受LED模組封裝限制等優(yōu)點(diǎn)。

1 測量原理

LED發(fā)光光譜隨驅(qū)動電流、結(jié)溫的不同發(fā)生變化。對雙參數(shù)法[17]的研究結(jié)果表明，在同一驅(qū)動電流下，LED光譜質(zhì)心波長、半高全寬隨結(jié)溫呈線性關(guān)系變動；在同一結(jié)溫下，LED光譜質(zhì)心波長隨電流呈指數(shù)關(guān)系變動。通過標(biāo)定熱平衡狀態(tài)下不同結(jié)溫、不同驅(qū)動電流的LED光譜質(zhì)心波長、半高全寬，建立三者間的關(guān)系曲線。在實際操作中，可以將白光VC-LED模組放在溫控臺上，使其達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時，將溫控臺溫度近似為LED結(jié)溫，測量LED模組發(fā)光光譜，求出雙光譜特征參數(shù)即質(zhì)心波長和半高全寬。一個溫度對應(yīng)一個模組光譜。改變溫控臺溫度，標(biāo)定結(jié)溫與模組光譜的曲線關(guān)系，通過數(shù)值擬合得到VC-LED模組結(jié)溫與光譜參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，將其應(yīng)用到實際樣品測試中，只需要采集實際工作時的模組發(fā)光光譜，利用系統(tǒng)即可獲得VC-LED模組結(jié)溫，從而實現(xiàn)對其結(jié)溫的管理和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)主要通過檢測不同溫度下LED模組的發(fā)光光譜，實現(xiàn)LED結(jié)溫的間接測量。如圖1所示，系統(tǒng)由WY3101恒流源、TC-100溫控裝置、2m積分球、Hass2000型光譜儀、待測LED模組、TRA-200熱阻結(jié)構(gòu)分析儀等組成。TC-100溫控裝置為測試提供穩(wěn)定的測試襯底溫度，其誤差范圍為±1 ℃。WY3101恒流源給VC-LED模組供電，其誤差范圍為±1 mA。光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)后傳遞給計算機(jī)進(jìn)行處理，擬合出結(jié)溫與光譜間的關(guān)系，儲存多種定標(biāo)數(shù)據(jù)，實時顯示VC-LED模組結(jié)溫。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW是由美國恩艾公司開發(fā)的圖形化編程平臺，具有高效、易維護(hù)、強(qiáng)開放性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外工程界應(yīng)用廣泛[18]。目前，國內(nèi)外廠商生產(chǎn)的各類儀器通常都提供了基于LabVIEW的動態(tài)鏈接庫及子程序，以便用戶二次開發(fā)。

依據(jù)測量原理，軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)定標(biāo)和實時測溫兩部分，這兩部分按照功能可劃分為恒流源控制、光譜數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析處理3個模塊。恒流源控制模塊主要實現(xiàn)對恒流源的通信控制，以輸出電流驅(qū)動VC-LED模塊；光譜數(shù)據(jù)采集模塊通過USB通信控制，傳輸光譜數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析處理模塊可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、模型建立及結(jié)溫計算。各模塊相對獨(dú)立，具有較好的維護(hù)性和調(diào)用性。

3.1 恒流源控制模塊

對恒流源的輸出控制采用虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)庫函數(shù)（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）編寫。VISA是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O API，利用VISA，用戶可調(diào)用相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動程序，實現(xiàn)GPIB、USB、串口及PXI端口的通訊與控制[19]。

恒流源控制模塊主要通過RS232C串行接口實現(xiàn)上位機(jī)對WY3101恒流源電源輸出控制及電壓、電流值讀取。其主程序流程如圖2所示。首先發(fā)送設(shè)備地址碼80，判斷接收數(shù)據(jù)是否正確，如果不正確則提示用戶設(shè)備連接出錯，檢查設(shè)備重新連接；然后發(fā)送命令字I，設(shè)置輸出恒流電流值，也可以發(fā)送命令字G，讀取當(dāng)前各通道狀態(tài)和電流電壓值。傳輸?shù)碾妷汉碗娏鲾?shù)據(jù)為3字節(jié)，由8位J階碼和16位數(shù)據(jù)組成，采用16進(jìn)制格式。程序設(shè)計中，使用狀態(tài)機(jī)對按鈕狀態(tài)進(jìn)行判斷，通過參數(shù)設(shè)置輸出所需驅(qū)動電流。

3.2 光譜數(shù)據(jù)傳輸模塊

光譜數(shù)據(jù)傳輸由USB接口通信實現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行USB通信時，VISA提供了兩類函數(shù)供LABVIEW調(diào)用：USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。USB INSTR設(shè)備是符合USB TMC協(xié)議的USB設(shè)備，可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，通信時不需要配置NI-VISA；USB RAW設(shè)備指除了明確符合USB TMC規(guī)格的儀器以外的所有USB設(shè)備，通信時必須配置NI-VISA[20]。本系統(tǒng)通過配置硬件的VID和PID信息，生成inf文件并安裝HASS2000光譜儀的VISA驅(qū)動。利用LabVIEW軟件VIProperty、VIWrite、VI Read、VI Close函數(shù)即能實現(xiàn)計算機(jī)與USB設(shè)備之間的光譜數(shù)據(jù)通信，見圖3。

3.3 數(shù)據(jù)分析處理模塊

數(shù)據(jù)分析處理模塊用于實現(xiàn)對光譜進(jìn)行擬合修正，對光譜中各項特征參數(shù)進(jìn)行計算。Hass2000光譜儀采集的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，且受測試環(huán)境干擾，存在噪聲信號，同時光譜峰值點(diǎn)具有一定測量誤差。在數(shù)據(jù)處理時，采用數(shù)據(jù)插值和高斯函數(shù)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，見圖4。計算光譜特征參數(shù)—質(zhì)心波長和半高全寬后，建立圖5中的LED結(jié)溫與電流、質(zhì)心波長及半高寬參數(shù)關(guān)系，根據(jù)圖中熱平衡時各點(diǎn)對應(yīng)位置坐標(biāo)可在等溫線陣列中找到LED對應(yīng)結(jié)溫；根據(jù)該光譜分布特征參數(shù)坐標(biāo)，亦可以在等電流線陣列中找出對應(yīng)實時電流。

4 測試實驗結(jié)果與分析

選用晶能35芯片白光LED作為測試樣品，經(jīng)過12小時老化，測試3顆串聯(lián)LED燈珠樣品，數(shù)據(jù)見表1。樣品1實時電燈的對應(yīng)質(zhì)心波長-半高寬坐標(biāo)位置（449.3，29.7），在圖5中等溫線位置處于25-35℃之間，確定LED對應(yīng)結(jié)溫29℃；同時，根據(jù)該坐標(biāo)，可在縱向陣列中找出對應(yīng)實時電流100mA。

如圖6所示，對比系統(tǒng)測試得出實驗數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[11]中中心波長法的結(jié)果，兩者最大偏差為2.8℃。實驗結(jié)果達(dá)到同類產(chǎn)品方法的測量精度，具有較好的穩(wěn)定性，同時不接觸產(chǎn)品管腳，直觀方便。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用LabVIEW平臺開發(fā)了VLC-LED模組的非接觸式結(jié)溫測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對恒流源、光譜儀的數(shù)據(jù)通信，并對采集的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，標(biāo)定了光譜參數(shù)與結(jié)溫、電流之間關(guān)系，最終通過實時通信時的光譜參數(shù)，換算出LED模組平均結(jié)溫。經(jīng)實驗測試驗證，采用雙光譜參數(shù)法測量LED模組結(jié)溫是可行的。同時，與中心波長法相比，該方法測量最大偏差2.8℃，達(dá)到同類方法的測量精度。本文設(shè)計的結(jié)溫測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，界面簡潔、友好，功能實用，為將來實現(xiàn)LED模組結(jié)溫及熱管理系統(tǒng)提供了一種新的思路。

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（責(zé)任編輯：江 艷）