[0001] 本发明涉及光源控制领域，具体涉及一种改善光源亮度变化的恒压式PWM调光系统及方法。

[0002] 随着科技技术发展，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)光源因其体积小、寿命长、效率高等特性，被广泛应用于工业检测领域。

[0003] 现有技术中，常见的亮度控制方式为：利用脉冲宽度调制(PWM)技术来实现灯光亮度调节，这种控制方式可以进一步区分为：PWM恒流控制与PWM恒压控制。其中，PWM恒流控制主要通过电源管理芯片实现，优点是LED光源的亮度变化随环境温度变化小，缺点是做亮度切换的延时大。PWM恒压控制则通过MOS管/晶体管实现；恒压控制的优点是亮度切换的速度快，但是光源亮度随环境温度变化大；如图2所示，以占空比30％的PWM方波信号控制光源为例，采用照度计采集LED光源的实时亮度值，当LED光源所处的环境温度从5℃上升至50℃时，LED光源实际亮度值相差40％lux以上。由此带来的问题为：在批量工件检测场景中，由于检测现场的温度变化不可控，若检测过程中，温差较大，光源的亮度相差也会较大，不同工件被检测时，由于光源的亮度不一致，采集到的工件图像的亮度差异也会较大，进而降低了后续图像分析的精度。

[0004] 在工业检测领域，往往对于检测节拍有较高的要求，这就要求光源亮度切换的响应速度快；同时，为了满足检测过程的一致性，还要求图像采集过程中光源的亮度变化不能差异太大。为此，急需一种响应速度快、亮度变化小的LED光源控制方式。

[0061] 以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

[0062] 一种改善光源亮度变化的恒压式PWM调光系统，如图6所示，包括控制器、恒压电源和驱动器件，恒压电源为LED光源供电，驱动器件与LED光源连接；使用时，控制器用于输出PWM控制信号、控制驱动器件的导通和关闭，进而点亮LED光源；

[0063] 在LED光源上或者LED光源的周围安装有温度传感器，用于实时检测LED光源的温度；LED光源还与电流获取装置连接，用于检测通过LED光源的电流；电流获取装置与温度传感器均与控制器电连接；

[0064] 如图1所示，控制器包括依次连接的温度采集模块、电流映射模块、电流补偿模块、占空比映射模块、占空比调节模块以及PWM波生成模块，还包括与电流补偿模块相连接的电流采集模块；其中，温度采集模块与温度传感器电连接，用于控制温度传感器采集LED光源的实时温度数据；

[0065] 获取特定温度下，电流与占空比的线性映射函数，记此特定温度为基础温度；保持某一占空比输出PWM控制信号的前提下，获取温度与电流的线性映射函数，记此占空比为基础占空比；基于温度与电流的线性映射函数，获取基础温度所对应的基础电流数据；

[0066] 例如：基础温度设定为室温25℃，则将25℃代入到温度与电流的线性映射函数中得出的电流数据，记为基础电流数据。

[0067] 基础温度设定为20℃，则将20℃代入到温度与电流的线性映射函数中得出的电流数据，记为基础电流数据。

[0068] 设定占空比为基础占空比；

[0069] PWM波生成模块基于设定的占空比输出PWM控制信号，控制驱动器件导通和关闭，继而控制LED光源点亮；

[0070] 电流采集模块用于按照预设的时间间隔△t控制电流获取装置多次采集实时电流数据并将数据传送到电流补偿模块；

[0071] 与此同时，温度采集模块按照相同的时间间隔△t控制温度传感器同步采集的实时温度数据，再将采集到的实时温度数据传输到电流映射模块；

[0072] 具体的，预设的时间间隔△t通常取值为0.01s～0.1s；其可依据实际使用情况自主设置，如相机拍照频率为60HZ，则△t可设置为1/60秒；

[0073] 电流映射模块用于接收实时温度数据，并依据预先获取的温度与电流的线性映射函数，解算出实时温度数据所对应的理论电流数据，再将解算出的理论电流数据传输到电流补偿模块；

[0074] 电流补偿模块功能为：通过公式：

[0075] 获取补偿电流数据，并将其传输至占空比映射模块；

[0076] 占空比映射模块的功能为：利用电流与占空比的线性映射函数，解算出补偿电流数据所对应的占空比数据，将其记为理论占空比，并将理论占空比传输到占空比调节模块；

[0077] 占空比调节模块的功能为：将接收到的理论占空比与当前PWM波生成模块设定的占空比进行比较，依据比较结果，重新设定PWM波生成模块的占空比(增加/减小当前占空比)，PWM波生成模块依据新设定的占空比输出PWM控制信号，控制LED光源点亮。

[0078] 具体实施时，温度与电流的线性映射函数，预先通过以下过程获得：

[0079] 依据基础占空比输出PWM控制信号，驱动器件导通和关闭，控制LED光源点亮；调节LED光源所处的环境温度，采集不同温度下的实时电流数据，基于温度数据与实时电流数据之间的对应关系，拟合得出温度与电流的线性映射函数。

[0080] 更详细的，温度与电流的线性映射函数的获取步骤如下：

[0081] 依据基础占空比输出PWM控制信号，控制驱动器件导通和关闭，继而控制LED光源点亮；

[0082] 多次改变LED光源所处的环境温度，每次改变环境温度后均开始计时，经过预设时间t后，分别实时采集温度数据以及电流数据；

[0083] 利用多组温度数据以及电流数据，拟合直线方程y＝ax+b，其中，x表示温度，y表示实时电流；

[0084] 将直线方程y＝ax+b保存为线性映射函数。

[0085] 示例性的步骤为：

[0086] 步骤1：PWM波生成模块输出50％占空比250kHz频率的PWM控制信号，点亮LED光源；

[0087] 步骤2：将LED光源所处的环境温度调节为‑5℃；

[0088] 步骤3：经过预设时间t＝30分钟，电流采集模块控制电源管理芯片采集的LED光源的实时电流数据；

[0089] 步骤4：将LED光源所处的环境温度按照5℃的梯度上升，每次上升后，均执行步骤3；

[0090] 共采集10组电流和温度的对应数据(如表1)，为了更加直观展示，如图4所示，将数据之间的对应关系利用折线图表示；

[0091] 利用最小二乘法拟合得到电流与温度的线性方程y＝＝‑0.00183x+0.336655，其中x代表温度，单位℃，y代表电流，单位A。

[0092] 表1：10组电流和温度数据对应关系表

[0093] 温度(℃) ‑5 0 5 10 15 20 25 30 35 40电流(A) 0.206 0.248 0.277 0.308 0.312 0.318 0.323 0.336 0.351 0.362[0094] 需要说明的是：本实施例，步骤1中设置基础占空比为50％，具体实施时并不限制基础占空比的数值，可以依据实际控制需求设置基础占空比。

[0095] 步骤2中初始温度为‑5℃，具体实施时并不限制初始温度的数值，例如可以从0℃、20℃开始；同样的，步骤3中预设时间t、步骤4中的温度调节步长均可以依据实际需要自主设置，并本方案进给出示例性说明，对于具体数值不做特殊限制。

[0096] 具体实施时，电流与占空比的线性映射函数，预先通过以下过程获得：

[0097] 在基础温度下，获取不同占空比下，LED光源被点亮时的实时电流数据，基于实时电流数据与占空比数据之间的对应关系，拟合得出电流与占空比的线性映射函数。

[0098] 更具体的，电流与占空比的线性映射函数的获取步骤如下：

[0099] 在基础温度下，多次调节PWM控制信号的占空比，每次调节占空比均以调节后的占空比输出PWM控制信号、点亮LED光源，获取LED光源的实时电流数据；

[0100] 利用多组占空比数据与实时电流数据，拟合直线方程y'＝cx'+d，其中，x'表示实时电流，y'表示占空比；

[0101] 将直线方程y'＝cx'+d保存为电流与占空比的线性映射函数。

[0102] 示例性的步骤如下：

[0103] 步骤S1：将光源所处的环境温度设置为基础温度(本实施例中，基础温度设置为室温25°)；

[0104] 步骤S2：PWM波生成模块输出10％占空比250kHz频率PWM控制信号，点亮LED光源；

[0105] 步骤S3：电流采集模块控制电源管理芯片采集的LED光源的实时电流数据；

[0106] 步骤S4：PWM波生成模块将占空比按照10％的梯度上升，多次调节PWM控制信号的占空比，每次调节占空比均以调节后的占空比输出PWM控制信号，点亮LED光源并均执行步骤S3；

[0107] 步骤S5：共采集9组电流和占空比的对应数据(如表2)，为了更加直观展示，如图5所示，将数据之间的对应关系利用折线图表示；

[0108] 利用最小二乘法拟合得到电流与占空比的线性方程y'＝43.7x'+28.47，其中x'代表实时电流数据，单位A，y'代表占空比数据。

[0109] 表2：9组占空比和电流数据对应关系表

[0110] 占空比 10％ 20％ 30％ 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 90％电流(A) 0.021 0.074 0.142 0.226 0.323 0.436 0.587 0.789 1.184

[0111] 需要说明的是：本实施例中设置初始占空比为10％，具体实施时并不限制初始占空比的数值，例如可以设置为从15％、30％等开始；同样的，本实施例中设置占空比的调节步长为10％，具体实施时并不限制占空比调节步长的数值，例如可以设置为5％、20％等。

[0112] 具体而言，将接收到的理论占空比与当前PWM波生成模块设定的占空比进行比较，依据比较结果，重新设定PWM波生成模块的占空比的方法如下：

[0113] 若当前PWM波生成模块所设定的占空比小于理论占空比数据，则将当前的占空比增加预设步长G，基于增加后的占空比输出PWM控制信号；

[0114] 否则，将当前的占空比减少预设步长G，基于减少后的占空比输出PWM控制信号。

[0115] 其中，预设步长G取值为0.2％～0.5％。该步长能够保障光源亮度变化不影响图像采集质量。

[0116] 本方案实施时，控制器可选用单片机或微控制器；

[0117] 驱动器件可选用MOS管或晶体管；

[0118] 电流获取装置可选用电源管理芯片(可被同时作为电源、电流获取装置)、电流检测芯片或者霍尔电流传感器。本方案对于器件的具体选型不做限制，只要能够实现对应的功能即可。如图7进行了示例性的电路设计，该电路中选用了电源管理芯片同时作为电源、电流获取装置，负责电子设备系统中电能的转换、配电、检测和其他电源管理；MOS管作为驱动器件，使用时，MOS管的基级连接到控制器。

[0119] 相对应的，本发明还公开一种利用上述的恒压式PWM调光系统进行PWM调光的方法，包括以下步骤：

[0120] 步骤一、获取特定温度下，电流与占空比的线性映射函数，记此特定温度为基础温度；保持某一占空比输出PWM控制信号的前提下，获取温度与电流的线性映射函数，记此占空比为基础占空比；基于温度与电流的线性映射函数，获取基础温度所对应的基础电流数据；设定占空比为基础占空比；

[0121] 步骤二、PWM波生成模块基于设定的占空比输出PWM控制信号，控制驱动器件导通和关闭，继而控制LED光源点亮；

[0122] 步骤三、电流采集模块控制电流获取装置多次采集实时电流数据并将数据传送到电流补偿模块；

[0123] 与此同时，温度采集模块控制温度传感器同步采集的实时温度数据，再将采集到的实时温度数据传输到电流映射模块；

[0124] 记录采集时间；

[0125] 步骤四、电流映射模块接收实时温度数据并依据温度与电流的线性映射函数，解算出实时温度数据所对应的理论电流数据，再将其传输到电流补偿模块；

[0126] 步骤四、电流补偿模块通过公式：

[0127] 获取补偿电流数据，并将其传输至占空比映射模块；

[0128] 步骤五、占空比映射模块利用电流与占空比的线性映射函数，获取补偿电流数据所对应的占空比数据，将其记为理论占空比，并将其传输至占空比调节模块；

[0129] 步骤六、占空比调节模块将接收到的理论占空比与当前PWM波生成模块所设定的占空比进行比较，基于结果重新设定PWM波生成模块的占空比；

[0130] 步骤七、PWM波生成模块依据调节后的占空比输出PWM控制信号，驱动器件导通和关闭，继而控制LED光源点亮；

[0131] 步骤八、判断当前时间与最新记录的采集时间之间的间隔，若间隔等于预设的时间间隔，则再次进行步骤三～步骤七，直到LED光源关闭。

[0132] 前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。