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文檔簡(jiǎn)介

1、第12卷第3期2012年1月16711815(2011)3-0560-04科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.12 2012No.3Jan.2012Sci.Tech.Engrg.數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計(jì)謝鵬程賴乙宗李迪(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州510640)摘要為了提高機(jī)器視覺中照明系統(tǒng)的質(zhì)量,獲得優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的圖像,設(shè)計(jì)了一種基于USB通信協(xié)議的LED光源控制器。該應(yīng)用PWM調(diào)光技術(shù)以避免模擬調(diào)光中的色偏現(xiàn)象,并實(shí)控制器采用基于ARMCortexM3內(nèi)核的STM32F107作為微控制器,現(xiàn)了普通、頻閃、外部觸發(fā)三種照明模式。在機(jī)器視覺

2、檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用表明該控制器不但能夠降低成本,而且能夠?qū)崿F(xiàn)PWM數(shù)字化精確調(diào)光,改善所提取圖像質(zhì)量。關(guān)鍵詞STM32USB20協(xié)議TP368.1;光源控制器文獻(xiàn)標(biāo)志碼機(jī)器視覺PWM調(diào)光中圖法分類號(hào)A模式和外部觸發(fā)模式。這種設(shè)計(jì)能夠靈活適應(yīng)機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)在不同場(chǎng)合應(yīng)用中的需要。在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中,機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)應(yīng)用于工況監(jiān)視、器視覺系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡和圖像處理系統(tǒng)組成,通過光源、鏡頭及CCD等成像器件匹配圖像采集及處理系統(tǒng)來進(jìn)行產(chǎn)品的檢查、識(shí)別等,此技術(shù)可大大減輕人工目檢產(chǎn)品質(zhì)量的負(fù)擔(dān),有效地提高檢測(cè)效率,并有利于生產(chǎn)管理。照明系統(tǒng)是機(jī)

3、器視覺系統(tǒng)的重要組成部分,是保證采集圖像質(zhì)量和應(yīng)用效果的關(guān)鍵,而光源控其主要作用就是針對(duì)具體制器是照明系統(tǒng)的核心,應(yīng)用場(chǎng)合提供不同的照明亮度和照明方式,從而提獲得高質(zhì)量的圖像。當(dāng)前國內(nèi)高照明光源的品質(zhì),多數(shù)廠商生產(chǎn)的光源控制器是手動(dòng)調(diào)節(jié)或通過RS232與PC機(jī)通信進(jìn)行調(diào)節(jié),使用較為不方便,效率低,且成本較高。本文設(shè)計(jì)了一種新型光源控制該控制器以ST公司基于ARMCortexM3內(nèi)核器,的STM32微控制器STM32F107VCT6傳輸速度高過即插即用,211總體方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地說,光源控制器的主要功能是接收PC主機(jī)發(fā)來的預(yù)先定義好的各種命令和設(shè)置參數(shù),經(jīng)然后通過驅(qū)動(dòng)電路控制LED光源過主控制器處

4、理,按照設(shè)定實(shí)現(xiàn)數(shù)字PWM調(diào)光。光源控制器按照體系架構(gòu)可以劃分為軟件部其中軟件部分又可以分為PC端用分和硬件部分,USB驅(qū)動(dòng)程序,戶界面應(yīng)用程序,控制器硬件固件。硬件部分可以分為主控模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊。主控模塊主要負(fù)責(zé)完成與PC機(jī)的通信,命令響應(yīng),以它是整個(gè)控制器的核心部分。LED驅(qū)及事物管理,動(dòng)模塊主要為L(zhǎng)ED光源提供合適的驅(qū)動(dòng)方式。LED光源常用的驅(qū)動(dòng)方式有電感式驅(qū)動(dòng)和電荷泵式驅(qū)動(dòng),其中電感式驅(qū)動(dòng)電路適合驅(qū)動(dòng)若干個(gè)相串聯(lián)的LED。LED亮度控制方法可分為模擬調(diào)光和數(shù)字PWM調(diào)光3為核心,通的USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)PC端應(yīng)用軟件對(duì)光源控制器參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)定。利用STM32片內(nèi)定時(shí)器

5、實(shí)現(xiàn)PWM數(shù)字調(diào)光,以及脈沖頻率,占空比的大范圍調(diào)節(jié),并通過定時(shí)器之間的協(xié)同工作保證精確定時(shí)。此外,該控制器實(shí)現(xiàn)了三種照明模式,分別是普通模式、頻閃2011年10月1日收到國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2009AA4Z111)、國家科技支撐計(jì)劃基金項(xiàng)目(2007BAH13B06)、中央高?;究蒲许?xiàng)目(2011ZM0056)資助第一作者簡(jiǎn)介:謝鵬程(1988),男,湖南婁底人,碩士研究生,研究方向:兩種。模擬調(diào)光通過改變LED電流來調(diào)整亮度。其缺點(diǎn)在于LED會(huì)隨著正向電流改變而產(chǎn)生色偏現(xiàn)象,無法滿足精度的要求。PWM調(diào)光通過開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流導(dǎo)通時(shí)間以達(dá)到亮度調(diào)整效果。由于LED都是以恒定的

6、因此不會(huì)出現(xiàn)模擬調(diào)光技術(shù)的色偏移問電流導(dǎo)通,PWM恒流調(diào)光。光題。故本設(shè)計(jì)采用電感式驅(qū)動(dòng)、源控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。,3期謝鵬程,等:數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計(jì)561圖1光源控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖可以單獨(dú)設(shè)置每個(gè)通道的亮度值,適用于持續(xù)照明即每次觸場(chǎng)合;外部觸發(fā)模式可以指定觸發(fā)時(shí)間,LED光源持續(xù)點(diǎn)亮的時(shí)間,發(fā)信號(hào)來后,適用于同機(jī)器視覺系統(tǒng)其它部分配合使用場(chǎng)合;頻閃模式用于單獨(dú)設(shè)置每個(gè)通道的亮度值,頻閃時(shí)間,頻閃周期和頻閃總時(shí)間,能夠大大延長(zhǎng)光源的壽命。圖2硬件電路框圖3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中使用Keil公司針對(duì)ARM硬件平臺(tái)推5出的RealViewMDK對(duì)STM32進(jìn)行軟件開發(fā)。31用戶界面應(yīng)

7、用程序用戶界面應(yīng)用程序?qū)?duì)光源的設(shè)定參數(shù)按照2控制器硬件實(shí)現(xiàn)本光源控制器采用STM32F107VCT6作為主控?cái)?shù)據(jù)幀格式封裝成數(shù)據(jù)包,然后通過全局唯一標(biāo)識(shí)并調(diào)用windows符GUID訪問對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,ReadFile,CreateFile系統(tǒng)提供的API函數(shù):WriteFile,等同設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信控制器固件程序處理。32USB驅(qū)動(dòng)程序本光源控制器為海量存儲(chǔ)設(shè)備類,采用USB協(xié)Only傳輸協(xié)議,議中的Bulk-設(shè)置端點(diǎn)1為IN端點(diǎn),端點(diǎn)2為OUT端點(diǎn)。USB驅(qū)動(dòng)程序基于WDM的驅(qū)動(dòng)程序模型,主要包括功能驅(qū)動(dòng)程序和總線驅(qū)動(dòng)程序??偩€驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供,負(fù)責(zé)管理硬件與計(jì)算機(jī)的連接,

8、因此只有功能驅(qū)動(dòng)程序需要根據(jù)不同的應(yīng)用目的進(jìn)行開發(fā)。DriverEntry是整個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù),完成一些初始化工作并注冊(cè)IRP的派遣函數(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序在和驅(qū)動(dòng)程序通信時(shí),會(huì)發(fā)出IO請(qǐng)求。操作即輸入輸出請(qǐng)求系統(tǒng)將IO請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的IRP,包。不同類型的IRP被傳遞到不同的派遣函數(shù)內(nèi),比如應(yīng)用程序調(diào)用CreatFile創(chuàng)建設(shè)備時(shí),將派遣到BulkUsb_DispatchCreate()例程7。這些調(diào)度例程傳遞給總線驅(qū)動(dòng)。各派遣將IRP進(jìn)行相應(yīng)處理后,6制器。STM32系列微控制器基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCor-texM3內(nèi)核。本設(shè)計(jì)所選用的STM32F

9、107VCT6屬于STM32互聯(lián)型系列,具有72MHz的時(shí)鐘頻率,片上外設(shè)極為豐富。MCU的定時(shí)器工作于PWM在光源控制器中,模式,四個(gè)捕獲比較通道分別產(chǎn)生PWM信號(hào),經(jīng)過光源驅(qū)動(dòng)模塊后,可以分別用于控制四個(gè)不同的LED光源,實(shí)現(xiàn)PWM恒流調(diào)光。通過利用CortexM3內(nèi)核中的嵌套向量中斷控制器以及外部中斷/事件控制器,每個(gè)通用IO都可以方便地觸發(fā)中斷。本控制器設(shè)計(jì)了四路外部光電隔離觸發(fā)通道,提高了系統(tǒng)可靠性。外部觸發(fā)也可以由機(jī)器視覺系統(tǒng)中脈沖信號(hào)可以手動(dòng)輸入,其他部分輸入,從而和相機(jī)等其他部件協(xié)同工作。USB具有即插即用,傳輸速度快,抗干擾能力兼容性良好等優(yōu)點(diǎn),故本控制器利用強(qiáng),STM32F

10、107VCT6內(nèi)置的USB-OTG全速設(shè)備4同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試,符合工,最終將數(shù)據(jù)傳遞給562科學(xué)技術(shù)與工程12卷GPIO配置,中斷配置,獨(dú)立型看門狗的配時(shí)鐘配置,置,定時(shí)器的配置,以及USB的配置。硬件平臺(tái)配置完成后,進(jìn)入死循環(huán)中,不斷復(fù)位獨(dú)立型看門狗計(jì)數(shù)等待中斷打斷它的運(yùn)行,這部分屬于前臺(tái)程序。器,當(dāng)上位機(jī)通過USB發(fā)送數(shù)據(jù)到端點(diǎn)EP2后,產(chǎn)程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序EP2_OUT_Call-生中斷,back中。在中斷服務(wù)子程序中,中斷響應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡只是調(diào)用相關(guān)函數(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照自可能短,然后根據(jù)解析到的結(jié)果定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析,分發(fā)到相關(guān)子程序中做進(jìn)一步的處理,這部

11、分屬于后臺(tái)程序。子程序運(yùn)行完后,重新回到前臺(tái)程序繼續(xù)等待新的中斷。中,圖3USB功能驅(qū)動(dòng)派遣函數(shù)調(diào)用TIM1是實(shí)現(xiàn)光源控制器設(shè)計(jì)功能的核心之一,工作在PWM模式下,同時(shí)它是16位的定時(shí)器,因此能夠產(chǎn)生高分辨率的PWM信號(hào)輸出給led驅(qū)動(dòng)模塊,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化調(diào)光。PWM信號(hào)的頻率由定時(shí)器的時(shí)鐘頻率和TIM1的16位自動(dòng)重裝載寄存器(TIM_ARR)共同確定。fpwm=fTIM_clock/(TIM_ARR+1)CCR)和TIM_ARR共同確定。fduty=TIM_CCR/(TIM_ARR+1)×100%(2)同時(shí)還可以通過設(shè)置控制寄存器的相應(yīng)位來設(shè)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向,時(shí)鐘分頻數(shù)等,以產(chǎn)

12、生所需要的PWM波形。在頻閃模式和外部觸發(fā)模式中均需要利用其余TIM2,TIM3,TIM4,TIM5分的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能,別用于控制光源控制器的四個(gè)通道。根據(jù)上位機(jī)選時(shí)間參數(shù),將相應(yīng)的定時(shí)器配置為輸出擇的通道號(hào),比較模式,可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)時(shí)間參數(shù)的精確控制。(1)占空比由TIM1的16位捕獲比較寄存器(TIM_33控制器固件程序固件程序是燒寫到STM32中的下位機(jī)程序。目前大多數(shù)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)都需要商用授權(quán)費(fèi),所以固件程序設(shè)計(jì)為前后臺(tái)系統(tǒng)。本控制器充分利用ST免費(fèi)提供的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)固件庫和USB設(shè)備大大縮短了設(shè)計(jì)周期。整個(gè)固件程序的流固件庫,程如圖4所示。4圖4固件程序流程圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果本光源控制器

13、已應(yīng)用于干電池質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)固件程序?qū)邮盏降纳衔粰C(jī)指令進(jìn)行解析,然后根據(jù)解析的結(jié)果操作相應(yīng)的片上外設(shè)。硬件復(fù)位后,首先產(chǎn)生復(fù)位中斷,然后在中斷向量表中取出復(fù)位中斷向量,再跳入其所指向的中斷響應(yīng)函數(shù)。在復(fù)位中斷響應(yīng)函數(shù)中先初始化系,由于電池的運(yùn)動(dòng)速度較快,為了獲得清晰的圖中,像必須把相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)為較小的值,需要很大且需要與檢測(cè)系統(tǒng)其它部件同步工作。的光照度,控制器采用外部觸發(fā)模式,將相機(jī)的對(duì)比度設(shè)為300,曝光時(shí)間設(shè)置為0192ms,光源的觸發(fā)點(diǎn)亮?xí)r1ms示a)3期謝鵬程,等:數(shù)字化LED光源控制器設(shè)計(jì)563c)、d)為采用本光源控制器在亮拍攝的圖像,圖b)、60%,100%下拍攝的圖像。度

14、分別為20%,圖5干電池檢測(cè)圖像及其灰度直方圖通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析表明,與其他常規(guī)的光源控制器相比,通過調(diào)節(jié)本光源控制器的設(shè)定參數(shù),能夠顯著改善曝光情況,獲得更為清晰穩(wěn)定的達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖像,效率高,成本低,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。定,參1考文獻(xiàn)STMicroelectronicsSTM32Referencemanual意法半導(dǎo)體公2009司,5結(jié)束語本文針對(duì)當(dāng)前LED光源控制器普遍采用手動(dòng)調(diào)2周立功USB20與OTG規(guī)范及開發(fā)指南北京:北京航空航天2004大學(xué)出版社,3程安寧,王晉,尚相榮白光LED的PWM驅(qū)動(dòng)方式分析電子設(shè)2010;18(2):109111計(jì)工程,整或采用PC通過RS

15、232接口進(jìn)行通信,使用不方效率低,成本較高的不足,設(shè)計(jì)了一種采用便、STM32F107VCT6為核心,采用USB進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庠纯刂破?。該控制器通過PWM對(duì)光源進(jìn)行精同時(shí)具有多種功能和控制模式,能夠確的數(shù)字調(diào)節(jié),靈活應(yīng)用于機(jī)器視覺系統(tǒng)的各種工作場(chǎng)合。在干電池檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用表明,該光源控制器能夠很好地配合機(jī)器視覺系統(tǒng)中其他部分協(xié)同工作,調(diào)整效果穩(wěn)54龔躍玲,汪玲彥基于STM32的USBOTG數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)微2011;30(10):23型機(jī)與應(yīng)用,王永虹,徐武安河,邰煒,郝立平STM32系列ARMCortexM3微控制器銘,于洪濤Windows2000/XPWDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序2008原理與

16、實(shí)踐北京:北京航空航天大學(xué)出版社,62003開發(fā)北京:電子工業(yè)出版社,7方旭基于STM32處理器的兩種USB通信方法的實(shí)現(xiàn)科技2010;(21):23信息,DesignoftheDigitalLEDLightingControllerXIEPeng-cheng,LAIYi-zong,LIDi(DeptofMechanicalAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,PRChina)AbstractInordertoimprovethequalityoflightingsysteminmachinevisionandobtainstableimage,theLEDlightingcontrollerbasedonUSBprotocolhasbeendesignedThelightingcontrollerusestheSTM32F107asmicro-controllerwhichisbasedonA

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