機器視覺的閃光燈系統(tǒng)需要哪些特性?

伴隨邊緣計算、傳感器等技術的不斷發(fā)展，人機交互(HMI)正在取得重大進展。如ADI公司在2019年關鍵技術展望中提及，在智慧工廠、機器人以及越來越多的協(xié)作機器人(人-機器人配合)將會具備快速學習和適應環(huán)境的能力，一些能夠通過多種模式(如機器視覺、激光雷達、ToF測距等)實時繪制三維環(huán)境圖的自主機器人和協(xié)作機器人將變得越來越重要。

以機器視覺為例，在協(xié)作機器人大規(guī)模應用之前，現(xiàn)代工業(yè)組裝生產(chǎn)線就已經(jīng)運用機器視覺來輔助自動化光學檢查，以確保在組裝線上快速移動的部件符合定義的規(guī)范。未通過光學檢查的缺陷部件被打上標記并自動地從組裝線移除，從而確保部件之間的一致性。而在這一類組裝線上作為視覺傳感使用的高速攝像機需要一種照相閃光燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠始終如一地重現(xiàn)一個固定導通時間光脈沖，可變的關斷時間由組裝線的速度以及部件的間隔距離來限定。

圖1：快速移動的傳送帶通過機器視覺系統(tǒng)進行快速標簽和缺陷檢測:

機器視覺的閃光燈系統(tǒng)需要哪些特性?

筆者從ADI公司技術專家口中了解到：在這一過程中，紅外和激光LED閃光燈常用于近程和運動檢測機器視覺。安全系統(tǒng)發(fā)出高速、難以察覺的LED閃光燈來檢測運動，捕獲和存儲安全影像。但是，這些機器視覺的相機閃光燈系統(tǒng)都存在的一個挑戰(zhàn)，即產(chǎn)生非常高的電流和短時間(微秒)LED相機閃光波形，這些波形可能散開在較長時間內(nèi)，例如100 ms到1 s以上。

然而，產(chǎn)生間隔較長時間的短時LED閃光方波并非易事。當LED(或LED串)的驅(qū)動電流上升到1 A以上，并且LED開啟時間縮短到幾微秒時，挑戰(zhàn)難度進一步加大。許多具有高速PWM能力的LED驅(qū)動器可能無法有效處理較長關斷時間和短時間的高電流，而又不降低適當處理高速圖像所需的方波質(zhì)量。

應對機器視覺閃光燈挑戰(zhàn)，關斷時間成重點

為了實現(xiàn)上述功能，據(jù)ADI專家介紹，ADI的高速LED驅(qū)動器LT3932可為高達2 A的LED串提供機器視覺相機閃光燈，關斷時間可以長達1秒、1小時、1天或更長時間，從而完美地解決這一問題。ADI專家表示，LT3932的特殊相機閃光燈功能允許其保持輸出電容和控制環(huán)路充電狀態(tài)，哪怕是在長關斷時間內(nèi)。對輸出和控制環(huán)路電容的狀態(tài)進行采樣后，LT3932繼續(xù)在長關斷期間對這些元件進行涓流充電，以補償通常都會有的漏電流，而這是其他LED驅(qū)動器沒有考慮到的。

ADI的LT3932專有閃光技術支持擴展，驅(qū)動器可以并聯(lián)以提供更高的LED閃光電流。所需的閃光形狀和完整性保持不變。下圖顯示了并聯(lián)兩個驅(qū)動器從而支持3 A相機閃光燈，甚至高達4 A的設計也是可行的。

圖2：相對于標準PWM調(diào)光頻率，并聯(lián)LT3932 1.5A LED驅(qū)動器產(chǎn)生具有長關斷時間的3A機器視覺LED脈沖:

機器視覺系統(tǒng)的LED閃光燈要求遠遠高于標準PWM調(diào)光驅(qū)動器所能達到的要求，即大多數(shù)高端LED驅(qū)動器設計用于在至少100 Hz的PWM頻率下提供PWM調(diào)光亮度控制。ADI專家稱，若頻率較低，哪怕LED波形十分完美，人眼看到的也是令人討厭的閃爍或頻閃。在100 Hz時，理論最大關斷時間約為10 ms。在10 ms關斷時間內(nèi)，如果設計正確，LED驅(qū)動器會損失極少輸出電容電荷，使其在大約相同的狀態(tài)下啟動控制環(huán)路，從而結束最后一個PWM導通脈沖。電感電流和下一個LED PWM導通脈沖的快速響應和斜坡上升可以很快且可重復，并且啟動時間極短。較長關斷時間(頻率低于100 Hz時)可能會導致輸出電容因漏電而損失電荷，從而使LED重啟時無法快速響應。

如何獲取更大電流驅(qū)動負載？不妨并聯(lián)一下眾所周知，LED驅(qū)動器充當電流源，調(diào)節(jié)通過發(fā)光二極管發(fā)出的電流，這是其工作原理。電流僅沿單一方向輸出，因此可將多個LED驅(qū)動器并聯(lián)起來，其電流匯總后通過負載。ADI專家稱，電流源不需要防范電流通過一個轉(zhuǎn)換器反向流動，也無需擔心輸出不匹配。實際上，電壓調(diào)節(jié)器本身并不擅長均流，如果它們都試圖將輸出電壓調(diào)節(jié)到某一點，并且其反饋網(wǎng)絡存在細微差異，則調(diào)節(jié)器可能會吸收反向電流。

LED驅(qū)動器會保持其輸出電流不變，無論其他驅(qū)動器是否提供額外電流并匯總在輸出負載上。這使得并聯(lián)LED驅(qū)動器非常簡單。例如，圖2所示使用ADI兩顆并聯(lián)的LED驅(qū)動器LT3932構成的閃光燈系統(tǒng)能以3 A高效驅(qū)動4個LED，10μs短脈在機器視覺系統(tǒng)所定義的較長期間內(nèi)沖散開來。在PWM導通時間內(nèi)，每個LT3932轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生總串電流的一半；在PWM關斷時間內(nèi)，轉(zhuǎn)換器關閉并保存其輸出狀態(tài)。關斷時間可短可長，對閃光波形的重復性沒有影響。觀察波形我們可以看到，無論是10 ms PWM關斷時間(100 Hz)還是1 s PWM關斷時間(1 Hz)，LED脈沖都很陡峭且快速，這對于機器視覺系統(tǒng)是非常理想的。

ADI專家指出，在長關斷期間，并聯(lián)相機閃光燈應用幾乎與單個轉(zhuǎn)換器一樣簡單。轉(zhuǎn)換器觀察最后一個PWM導通脈沖結束時的共享輸出電壓，讓輸出電容充電至該狀態(tài)并保持。每個轉(zhuǎn)換器將其PWM MOSFET與共享負載斷開連接，并向其輸出電容供應電流以補償泄漏的能量，使該電容充電至接近最后電壓狀態(tài)并保持。這些電容在長關斷時間內(nèi)發(fā)生的任何泄漏都可以通過少量維持電流來補償。當下一個PWM導通脈沖開始時，每個轉(zhuǎn)換器的PWM MOSFET導通，輸出電容以與最后一個脈沖大致相同的狀態(tài)啟動，無論是經(jīng)過了10 ms還是一整天。

圖3：專家演示通過兩個DC2286A LT3932電路輕松并聯(lián)以創(chuàng)建3 A至4 A機器視覺LED閃光燈應用。

本文小結：

總結而言，機器視覺系統(tǒng)可以使用并聯(lián)LED驅(qū)動器來創(chuàng)建自動圖像處理所需的快速、方形、高電流波形。通過并聯(lián)轉(zhuǎn)換器，ADI 公司LED驅(qū)動器LT3932的專有相機閃光燈技術可以擴展到更高的電流。采用并聯(lián)LT3932轉(zhuǎn)換器，即使關斷時間較長，也可以實現(xiàn)3 A和更高的微秒級脈沖。無論LED閃光之間的關斷時間有多長，LED相機閃光波形都能保持方形且無抖動。

值得強調(diào)的是，事實上并聯(lián)LED驅(qū)動器不限于兩個轉(zhuǎn)換器，三個或更多轉(zhuǎn)換器也可以并聯(lián)在一起，產(chǎn)生具有陡沿的更高電流波形。該系統(tǒng)沒有主器件或從器件，因此所有轉(zhuǎn)換器都提供相同量的電流并平均分擔負載。建議所有并聯(lián)LED驅(qū)動器轉(zhuǎn)換器共享相同的同步時鐘并保持同相。這樣可確保所有轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波具有大致相同的相位，故而紋波電流不會反向流動或在不同轉(zhuǎn)換器之間流動。