探究LabVIEW的LED結溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)

1．引言

白光LED 固體光源具有傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)勢：節(jié)能、環(huán)保、長壽命、安全可靠等，成為未來照明的趨勢。但LED 的PN 結溫度對LED 的性能有著重要的影響，會引起色溫變化、波長紅移、正向壓降等，同時影響電子和空穴的非輻射再結合，導致光輻射功率下降，因此成為影響LED 進入普通照明領域的關鍵，是迫切需要解決的問題。

如何測量LED 的結溫，已經(jīng)有了很多相關報道，比如正向電壓法、管腳法、藍白比法等等［2］。目前常用的是正向電壓法，它是利用LED 電輸運的溫度效應，通過測量恒定工作電流下的電壓來確定結溫，正向電壓愈小，結溫愈高且基本呈線性關系。本系統(tǒng)基于LabVIEW 圖形化軟件平臺而開發(fā)的一種虛擬儀器，目的是在LED 恒定電流工作過程中，通過實時監(jiān)測正向工作電壓而實現(xiàn)對結溫的間接測量，同時監(jiān)測LED 發(fā)光強度變化，即通過光照度的變化監(jiān)測LED 照明燈的光衰。

2．系統(tǒng)總體設計

2.1 硬件設計

LED 結溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)是把非電壓信號轉化為電壓信號，經(jīng)采集卡采集后由計算機讀取、處理、顯示、存儲。硬件設計部分由驅動電路、照度計探頭、數(shù)據(jù)采集卡、計算機組成。其中驅動電路不在系統(tǒng)設計范圍內，是被測量對象。系統(tǒng)信號采集示意圖見圖1

圖1 系統(tǒng)信號采集示意圖

本示意圖中電路采用的是電容降壓 LED 驅動電路，具有很好的恒流作用。負載為同一批次、物理參數(shù)基本相同的18 只小功率LED。所有信號由采集卡采集，通過USB 接口與計算機連接，然后由應用程序完成對采集卡的控制和數(shù)據(jù)記錄與分析。利用計算機使系統(tǒng)軟件和采集硬件結合，就可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、記錄、波形顯示，多路信號的同時采集且生成相應的數(shù)據(jù)表格。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)采用的是由美國NI 公司的USB-6009 型號的多功能數(shù)據(jù)采集卡，其最高采集速率為48kS/s，8 路模擬輸入通道，14 位分辨率，12 條數(shù)字I/O 線，2 路模擬輸出，以及1個計數(shù)器。為了得到更精確的采集數(shù)據(jù)，避免外界干擾，本系統(tǒng)采用差分式的方式進行電壓采集。由六個輸入接口形成三個采集通道，同時對三個電壓信號采集。可以通過軟件對相應的通道進行配置，如：采樣頻率、電壓采集范圍等。

2.3 工作電流的采集

由于采集卡的信號輸入是電壓信號，在LED 電路中串聯(lián)一個電阻，通過采集電阻上的壓降，換算出電流。這里采用0.1 Ω 小電阻，可忽略對系統(tǒng)的影響。監(jiān)測工作電流的目的是為了直接觀測到LED 燈工作于恒流狀態(tài)，結電壓的變化只取決于結溫的變化。

2.4 LED 工作電壓采集及結溫的換算

根據(jù)正向電壓法原理，由其他實驗得到本實驗中LED 的結溫Tj 與電壓Vj 之間的關系式為：

式中Vj 為LED 結電壓（mv）；Tj 為結溫（℃）。在18 只LED 中任意選取5 只LED，測量兩端電壓求平均值即得到單只LED 工作電壓。采集的電壓信號到結溫溫度值的標度變換由LabVIEW 程序來實現(xiàn)，標度變換公式為（1）式。

2.5 光照度的采集

由于光照度與發(fā)光強度之間的光度學關系式［3］E＝I/R2，在軸向定距監(jiān)測LED 光照度的變化，即監(jiān)測LED 光強變化。利用采集卡采集照度計探頭的電壓信號，通過光照度同電壓的函數(shù)關系由LabVIEW 換算得到光照度。通過實驗及曲線擬合，得出光照度E（lx）與照度計探頭輸出電壓V（mv）的函數(shù)關系式為：

3．系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以LabVIEW程序作為控制軟件。LabVIEW程序是目前國際廣泛應用于儀器控制、自動化測試、數(shù)據(jù)分析處理等領域的編程平臺。它是基于圖形化的程序語言G的開發(fā)軟件，使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。LabVIEW程序將計算機與采集卡結合，控制采集卡采集電壓模擬信號，并對信號進行分析處理，把信號轉換為相應的數(shù)據(jù)后，以文本形式在計算機中儲存和以多種形式在前面板上顯示。

3.1 程序框圖

LabVIEW 程序應用平鋪式順序結構進行編程，分為兩幀。第一幀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄和實時顯示，如圖2。第二幀實現(xiàn)光照度波形回放和各個數(shù)據(jù)最大最小運算，如圖3。

圖3 第二幀程序框圖

第一幀應用定時循環(huán)及條件結構進行編程，主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)換算模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊四部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集由子VI 采集助手完成，并控制采集卡，為整個程序提供數(shù)據(jù)源。主要包括：

初始化數(shù)據(jù)采集卡、啟動數(shù)據(jù)采集、暫停采集、停止采集等，其中初始化采集卡完成參數(shù)的設置。

（2）數(shù)據(jù)換算模塊子VI 主要實現(xiàn)對采集到的電壓模擬信號分別向結溫和光照度信號的轉換。

（3）實時顯示模塊子VI 主要由電流、結溫和光照度三個波形圖表組成，顯示方式有圖形顯示和數(shù)值顯示。

（4）數(shù)據(jù)存儲模塊子VI 在指定目錄下創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄文件，將處理后的數(shù)據(jù)寫入文件并保存，寫入模式設置為：本次的采集數(shù)據(jù)會自動寫在上次數(shù)據(jù)的后面，而不覆蓋。數(shù)據(jù)以字符串形式保存，并生成以時間為序的電子表格文件，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)和過程描述。

第二幀主要是數(shù)據(jù)回放調用模塊子VI，選取了對光照度變化曲線的回放，同時實現(xiàn)各個采集數(shù)據(jù)最大值和最小值的計算?；胤艛?shù)據(jù)的直接來源是讀取上一幀程序所保存的文件，當用戶需要對數(shù)據(jù)進行分析處理時，可以離線狀態(tài)下重新調用數(shù)據(jù)。

3.2 虛擬儀器前面板

前面板主要由電流、結溫、光照度三個顯示窗口，一個數(shù)據(jù)列表窗口和一個光照度變化回放窗口以及控制欄組成。采集過程中，在顯示窗口可以看到實時的監(jiān)測信號；在采集結束后可以得到與時間相對應的數(shù)據(jù)列表，同時光照度變化曲線在光照度變化回放窗口內顯示；在控制欄中，主要就是對采集開始和結束的控制，并且可以按照需要設置采樣周期和采樣電阻。采集過程中可以暫停采集，同時顯示單次采集次數(shù)與采集總次數(shù)；結束采集時，先確定采集結束，再退出系統(tǒng)，此時即可看到光照度變化波形。

4．小結

基于 LabVIEW 開發(fā)的LED 結溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)，對LED 的電壓和電流進行實測的結果與萬用表測量結果吻合，光照度的系統(tǒng)測試結果也與照度計測量結果吻合。與其他測量方式相比，本系統(tǒng)有著實時記錄、實時顯示、實時觀測等諸多的優(yōu)越性。

實測結果表明，整個系統(tǒng)簡單實用，高精度，高靈敏度，通用性強，界面友好，數(shù)據(jù)存儲方便，性能穩(wěn)定可靠，且成本低廉。在LED 結溫與光照度即光衰減監(jiān)測中，可以長時間、長周期地運行本系統(tǒng)，且提供了非連續(xù)測量。結溫與光照度數(shù)據(jù)實時數(shù)值顯示，同時圖形顯示波開可以直觀地看到變化趨勢。

軟件與計算機的結合，滿足了特定應用范圍內數(shù)據(jù)采集的需要。本系統(tǒng)還有很強的擴展性，可以增加監(jiān)測LED 燈的其它技術指標，如LED 功率等光學參數(shù)和電學參數(shù)等。與筆記本電腦的結合，還適用于室外不同場合的需要，有著很好的應用前景。

作者：周長友;苗洪利;白生茂;廖小東

編輯：jq