基于LabVIEW的LED结温与光衰监测系统

     摘要：本文将虚拟仪器应用于LED 结温和光衰的测量中，以LabVIEW 为平台开发的LED结温与光衰监测系统，以计算机为核心，配上传感器、数据采集卡和相应软件，对LED 的工作电压、工作电流以及LED 的光照度变化进行监测，实现了自动、连续、在线测量并记录数据，将结果以图形和数字两种方式显示。本系统还有简单实用、高精度、高灵敏度等特点，安全可靠，维护方便快捷，具有很好的可扩展性和应用前景，能够适用于实验室和室外众多环境。

　　1．引言

　　白光LED 固体光源具有传统光源不可比拟的优势：节能、环保、长寿命、安全可靠等，成为未来照明的趋势。但LED 的PN 结温度对LED 的性能有着重要的影响，会引起色温变化、波长红移、正向压降等，同时影响电子和空穴的非辐射再结合，导致光辐射功率下降，因此成为影响LED 进入普通照明领域的关键，是迫切需要解决的问题。如何测量LED 的结温，已经有了很多相关报道，比如正向电压法、管脚法、蓝白比法等等[2]。目前常用的是正向电压法，它是利用LED 电输运的温度效应，通过测量恒定工作电流下的电压来确定结温，正向电压愈小，结温愈高且基本呈线性关系。本系统基于LabVIEW 图形化软件平台而开发的一种虚拟仪器，目的是在LED 恒定电流工作过程中，通过实时监测正向工作电压而实现对结温的间接测量，同时监测LED 发光强度变化，即通过光照度的变化监测LED 照明灯的光衰。

　　2．系统总体设计

　　2.1 硬件设计

　　LED 结温与光衰监测系统是把非电压信号转化为电压信号，经采集卡采集后由计算机读取、处理、显示、存储。硬件设计部分由驱动电路、照度计探头、数据采集卡、计算机组成。其中驱动电路不在系统设计范围内，是被测量对象。系统信号采集示意图见图1。

图1 系统信号采集示意图

　　本示意图中电路采用的是电容降压 LED 驱动电路，具有很好的恒流作用。负载为同一批次、物理参数基本相同的18 只小功率LED。所有信号由采集卡采集，通过USB 接口与计算机连接，然后由应用程序完成对采集卡的控制和数据记录与分析。利用计算机使系统软件和采集硬件结合，就可以实现实时数据采集、记录、波形显示，多路信号的同时采集且生成相应的数据表格。

2.2 数据采集卡

本系统采用的是由美国NI 公司的USB-6009 型号的多功能数据采集卡，其最高采集速率为48kS/s，8 路模拟输入通道，14 位分辨率，12 条数字I/O 线，2 路模拟输出，以及1个计数器。为了得到更精确的采集数据，避免外界干扰，本系统采用差分式的方式进行电压采集。由六个输入接口形成三个采集通道，同时对三个电压信号采集。可以通过软件对相应的通道进行配置，如：采样频率、电压采集范围等。

2.3 工作电流的采集

由于采集卡的信号输入是电压信号，在LED 电路中串联一个电阻，通过采集电阻上的压降，换算出电流。这里采用0.1 Ω 小电阻，可忽略对系统的影响。监测工作电流的目的是为了直接观测到LED 灯工作于恒流状态，结电压的变化只取决于结温的变化。

2.4 LED 工作电压采集及结温的换算
根据正向电压法原理，由其他实验得到本实验中LED 的结温Tj 与电压Vj 之间的关系式为：

　　式中Vj 为LED 结电压（mv）；Tj 为结温（℃）。在18 只LED 中任意选取5 只LED，测量两端电压求平均值即得到单只LED 工作电压。采集的电压信号到结温温度值的标度变换由LabVIEW 程序来实现，标度变换公式为（1）式。

　　2.5 光照度的采集

　　由于光照度与发光强度之间的光度学关系式[3]E＝I/R2，在轴向定距监测LED 光照度的变化，即监测LED 光强变化。利用采集卡采集照度计探头的电压信号，通过光照度同电压的函数关系由LabVIEW 换算得到光照度。通过实验及曲线拟合，得出光照度E（lx）与照度计探头输出电压V（mv)的函数关系式为：

　　3．系统软件设计

本系统以LabVIEW程序作为控制软件。LabVIEW程序是目前国际广泛应用于仪器控制、自动化测试、数据分析处理等领域的编程平台。它是基于图形化的程序语言G的开发软件，使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。LabVIEW程序将计算机与采集卡结合，控制采集卡采集电压模拟信号，并对信号进行分析处理，把信号转换为相应的数据后，以文本形式在计算机中储存和以多种形式在前面板上显示。

3.1 程序框图

LabVIEW 程序应用平铺式顺序结构进行编程，分为两帧。第一帧实现数据的采集、记录和实时显示，如图2。第二帧实现光照度波形回放和各个数据最大最小运算，如图3。

图2 第一帧程序框图

图3 第二帧程序框图

　　第一帧应用定时循环及条件结构进行编程，主要由数据采集模块、数据换算模块、实时显示模块和数据存储模块四部分组成。

　　（1）数据采集由子VI 采集助手完成，并控制采集卡，为整个程序提供数据源。主要包括：

　　初始化数据采集卡、启动数据采集、暂停采集、停止采集等，其中初始化采集卡完成参数的设置。

　　（2）数据换算模块子VI 主要实现对采集到的电压模拟信号分别向结温和光照度信号的转换。

　　（3）实时显示模块子VI 主要由电流、结温和光照度三个波形图表组成，显示方式有图形显示和数值显示。

　　（4）数据存储模块子VI 在指定目录下创建数据记录文件，将处理后的数据写入文件并保存，写入模式设置为：本次的采集数据会自动写在上次数据的后面，而不覆盖。数据以字符串形式保存，并生成以时间为序的电子表格文件，以便进行后续的数据和过程描述。

　　第二帧主要是数据回放调用模块子VI，选取了对光照度变化曲线的回放，同时实现各个采集数据最大值和最小值的计算。回放数据的直接来源是读取上一帧程序所保存的文件，当用户需要对数据进行分析处理时，可以离线状态下重新调用数据。

　　3.2 虚拟仪器前面板

　　如图4 所示，前面板主要由电流、结温、光照度三个显示窗口，一个数据列表窗口和一个光照度变化回放窗口以及控制栏组成。采集过程中，在显示窗口可以看到实时的监测信号；在采集结束后可以得到与时间相对应的数据列表，同时光照度变化曲线在光照度变化回放窗口内显示；在控制栏中，主要就是对采集开始和结束的控制，并且可以按照需要设置采样周期和采样电阻。采集过程中可以暂停采集，同时显示单次采集次数与采集总次数；结束采集时,先确定采集结束,再退出系统，此时即可看到光照度变化波形。

图4 虚拟仪器前面板

　　4．小结

基于 LabVIEW 开发的LED 结温与光衰监测系统，对LED 的电压和电流进行实测的结果与万用表测量结果吻合，光照度的系统测试结果也与照度计测量结果吻合。与其他测量方式相比，本系统有着实时记录、实时显示、实时观测等诸多的优越性。

实测结果表明，整个系统简单实用，高精度，高灵敏度，通用性强，界面友好，数据存储方便，性能稳定可靠，且成本低廉。在LED 结温与光照度即光衰减监测中，可以长时间、长周期地运行本系统，且提供了非连续测量。结温与光照度数据实时数值显示，同时图形显示波开可以直观地看到变化趋势。软件与计算机的结合，满足了特定应用范围内数据采集的需要。本系统还有很强的扩展性，可以增加监测LED 灯的其它技术指标，如LED 功率等光学参数和电学参数等。与笔记本电脑的结合，还适用于室外不同场合的需要，有着很好的应用前景。