本文介紹了以基于Cortex-M3內核的32位為控制核心，外接可控恒流源電路和顏色傳感器等部件，組成了簡易的特性測試裝置，結構簡潔，成本低廉，在LED特性的研究上有較高的實用價值。
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1.引言
LED(Light-EMItting-Diode)，即發光二極管，以其高效、節能、環保、壽命長、可靠性高等優點正在逐步取代傳統的白熾燈、熒光燈，成為新一代照明光源。各國政府均大力扶持白光LED的發展，美、日、歐盟等發達國家皆由政府成立專項積極推行。隨著LED應用范圍的擴大，用戶對產品質量也有了更高的要求，不僅要求其發光亮度和波長等光特性具有一致性，對其正向工作電壓和電流等電特性也有嚴格的要求。因此，研究LED光電參數的測試儀器，對提高產品質量、降低生產成本具有著重要的意義。
專用的LED光電特性測試設備結構復雜，特別是光學特性測試要用到光譜儀、光度計等，雖然儀器有著精度高的特點，但仍然具有結構復雜、成本高、體積較大，攜帶和使用很不方便，系統穩定性受到限制等缺點，因此這種儀器只能停留在大型分析測試實驗，應用范圍難以擴展。
研制一種小體積、低價格，精度雖不很高，但能滿足一般性要求的LED光電測量儀器成為目前儀器發展的一個趨勢。
雖然LED的光電特性參數很多，但對大多數用戶來說，主要是關心LED伏安特性及LED發光亮度與電流的關系，因此本文所設計的系統主要是完成這兩項參數的測試，另外通過簡單的軟硬件擴展，還可測試得到LED的相關色溫、主波長、光強分布等參數，用于LED的特性研究及驅動電路的設計等應用開發。
2.系統原理與組成
整個系統主要由STM32微處理器，光學測量模塊，恒流驅動模塊，LCD液晶顯示模塊，按鍵控制模塊等組成，如圖1所示。
由按鍵或LCD上的觸摸屏控制STM32微處理器，內部的D/A轉換器產生控制電壓，該電壓控制外部的恒流驅動電路產生LED工作所需的恒定電流加到待測LED上，LED上產生的電壓降經信號放大調整電路后被STM32內部的A/D轉換器采集，從而測得LED的伏安特性。另外，通過光學測量模塊測量LED發出的光線轉換成數字信號，由STM32采集處理，從而測得LED的發光亮度等光學特性。
2.1 STM32微處理器
微處理器是整個控制系統的核心，它控制恒流驅動電路輸出設定的電流，采集LED的電壓，測量光學測量模塊的數據，進行數據處理，控制算法運算，顯示控制等。為了保證系統的實用性和易擴展性，本控制系統采用意法半導體推出的“增強型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3內核，工作頻率最高可達72MHz,內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設，16路12位的ADC和2路12位的DAC,3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN,在存儲容量和運算速度方面滿足要求。在本設計中，采用STM32自身的ADC和DAC模塊，極大的降低了系統成本。
2.2 恒流驅動電路
恒流驅動電路的核心是V / I轉換電路，如圖2所示，Vin是STM32內部D/A輸出的電壓，RL是負載，即待測的LED,Rs為電流取樣電阻，用于控制輸出電流的大小，U1是大功率運算放大器。
由圖2可知，若電阻R1和R2比Rs和RL大得多，則在理想情況下可得到
由公式2 可見， 輸出電流與負載無關，在固定取樣電阻Rs的情況下，輸出電流與輸入控制電壓成正比。但在應用中要注意，兩個輸入電阻R3和R4及兩個反饋電阻R1和R2必須嚴格匹配，否則會帶來較大誤差。Rs也要采用精密功率電阻。另外也可以在系統調試時在軟件中做補償校準以確保輸出電流精度。
圖2中的運算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運算放大器，具有優良小信號放大性能，用其驅動多種負載非常理想。電源電壓(+VS~-VS)60V,可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小。可連續輸出3A大電流(峰值電流高達5A)，而且內部具有過溫和電流過載保護，用戶可以根據需要進行精密的限流設計2.3 光學測量模塊
本設計中采用新型的顏色傳感器TCS3200進行LED光學特性的測量，能夠同時測量LED發光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業界第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。
TCS3200的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得更簡單。圖3是TCS3200的引腳和功能框圖。
當入射光投射到TCS3200上時，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器;經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波;還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1,選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求。
因為STM32工作頻率較高，因此將S0和S1直接接高電位，使輸出比例因子為100%.S2和S3利用STM32的引腳進行控制，顏色傳感器的輸出信號用STM32編程實現測頻。
3.測量數據運算及處理
STM32的軟件系統設計中主要包括液晶顯示，按鍵處理，DAC控制，ADC控制，顏色傳感器控制及計數測量，這些模塊都比較簡單，在此不再贅述，下面主要介紹一下LED光學特性測量的數據運算及處理程序。
物體顏色的定量度量是一個涉及觀察者的視覺生理、視覺心理、照明條件以及觀測條件等諸多因素的復雜問題。CIE(國際照明委員會)從1931年開始發布了一系列色度學系統，規定了一整套顏色測量的原理、數據和計算方法，形成了奠定現代色度學基礎的CIE標準色度學系統。
根據CIE的推薦，光源的色度可采用三刺激值X,Y,Z和色品坐標表色系統表征。
可以用下述公式將RGB值轉為XYZ值：
色品坐標同三刺激值的關系是：
通過顏色傳感器TCS3200測量構成光源色度的三基色的比例，得到R,G,B值，經過計算就可以得到光源色度的三刺激值X,Y,Z和色品坐標x,y,z.有了色品坐標，就可以根據CIE1931標準色度系統得到光源的亮度，主波長，色純度，相關色溫等參數值。式3中的Y值相應于人眼中對亮度的響應，可用于計算LED發光亮度。
從色品坐標要得到相關色溫(CCT,Correlated Color Temperature)有很多種方法，其中近似公式法運算簡單，便于實現，精度也可滿足一般要求，當3000K
4.實驗結果
應用上述電路，設計了簡易的LED光電特性測試裝置，并用一些紅、綠、黃、藍、白等各色LED進行了測試，結果如圖4.圖4(a)為不同顏色LED的伏安特性曲線，圖4(b)為不同顏色LED的發光亮度與電流的關系。從圖中可以看出，LED電流隨電壓變化很快，而發光亮度與電流基本上是線性關系。這可以作為設計LED驅動電路的參考依據。另外，用Keithley2612高精度源表對伏安特性進行了校準，用照度計對亮度測試進行了校準。實驗結果表明，通過硬件調整和軟件補償，結果誤差可以控制在5%以內，達到實用目標。
5.結束語
本文利用STM32微處理器為核心，顏色傳感器為主要部件，設計了簡易的LED光電特性裝置，用于測試L E D的伏安特性，發光強度，相關色溫，主波長等LED特性。整個系統簡潔，智能，成本低廉，在某些LED的研究和應用領域可以代替昂貴的光譜分析儀等專用設備。實驗結果表明，測試精度達到實用要求，本文方案可行。