紫外LED照射器的控制系统设计

邓麒麟，吴云峰，孙文博

(电子科技大学光电信息学院，成都610054)

紫外光固化［1］，是指UV树脂(UV涂料、油墨、粘合剂等)经紫外光辐射后，在数秒内由液态转化为固态的过程。紫外光固化技术一经研制成功就得到了迅速普及与发展，成为目前最流行的固化技术，占据了整个辐射固化市场的95%［2］。

紫外LED照射器的作用是产生用于固化的紫外光，常用的固化波段集中在365 nm［3］附近。基于点光源的紫外LED照射器，具有体积小、易于携带、操作便捷、固化效率高等优点，被广泛应用于各种光学系统中透镜的粘接、电子设备精密部件的固定与粘接、电子部件的印字硬化等。本课题从提升紫外LED照射器操作的便捷性以及功能的多样性出发，设计了其控制系统。

1 系统的总体结构及工作原理

紫外LED照射器的系统总体结构如图1所示，系统主要由图形操作界面、数据处理和系统控制单元、信息存储单元、紫外LED驱动电源和紫外LED构成。

图1 系统组成框图

系统的工作过程简单描述如下:用户通过图形操作界面设置紫外光的照射模式、照射强度及照射时间等，按键信号采集电路获取相应的控制信号，并保存至FPGA的寄存器中，DSP查询寄存器值获取控制信号，经分析处理后，一方面，DSP从并行FLASH中调出相应字符图像信息，将其通过PPI接口显示于图形操作界面的LCD上，另一方面，DSP发出相应的紫外LED驱动信号，经FPGA传送至紫外LED驱动电源，LED驱动电源产生相应的驱动电流以驱动紫外LED，实现设定条件的紫外光照射。

2 控制系统的设计

2.1 控制系统的主要功能

由于本次设计的紫外LED照射器配置了丰富图形操作界面、用户设置和数据的存储功能等，所以控制系统不仅要完成紫外LED驱动信号的控制，还要进行按键信号采集和处理，LCD显示屏的驱动控制以及存储单元的控制。

紫外LED为电流驱动型元件，由专门的紫外LED电源驱动，控制单元DSP只需通过FPGA将照射功率及照射时间数据发送至驱动电源实现对紫外LED的控制。

2.2 DSP和FPGA芯片的选择

对于DSP处理器，系统选用了ADI公司的嵌入式处理器ADSP BF531，它基于ADI与Intel联合开发的微信号架构(MSA)［4］，将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。它的体系结构不仅特别适合于完成视频、图像等的数字信号处理，同时还提供综合的控制能力。对于FPGA芯片，我们选择了XILINX公司的Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E，该系列芯片具有低成本性能好的特点，为大容量消费电子应用提供了良好的解决方案，用户可用I/O口最多可达108个，片内数字时钟管理单元提供了广泛的频率范围(5 MHz～300 MHz)，满足系统设计需求。

2.3 控制电路的实现

系统的控制电路核心部分采用了DSP+FPGA架构，其原理图如图2所示。DSP与FPGA之间通过总线方式连接，DSP的数据总线宽度为16位，地址总线宽度为19位，在DSP的4 GB统一寻址空间中，将 FPGA作为 DSP的外设，地址的分配为0x203F FE00-0x2040 0000，DSP通过读写该地址段FPGA中的数据寄存器和控制寄存器，实现对按键信号的提取和紫外LED的控制。DSP的可编程标志引脚PF2作为FPGA的软件复位信号，PF0作为FPGA中的寄存器读写控制信号。控制电路主要完成LCD驱动控制、存储器控制、按键采集控制、紫外LED照射控制，下面将依次阐述。

图2 主控单元原理图

(1)LCD驱动控制

系统的图形操作界面选用的是SHARP的LQ043T3DX02彩色液晶显示屏，通过DSP的PPI接口驱动。DSP的PPI接口包括一根PPI时钟线，16根数据线和2个帧同步引脚，其中PPI时钟由FPGA提供。帧同步信号用于控制图像数据的发送时序，两个帧同步引脚分别用来向LCD发送HSYNC和VSYNC信号，LCD的驱动时序如图3所示。

图3 LCD的驱动时序图

此外，LCD的显示开关控制信号DISP由FPGA提供，DSP控制FPGA中对应寄存器的值实现间接液晶开关控制。

(2)存储器控制

系统的存储器有SDRAM、并行FLASH和串行FLASH。外接的64 Mbyte SDRAM是为了提高DSP的图像处理能力，增强控制系统的实时性，SDRAM的时序控制由BF531的SDRAM Controller完成。DSP的SPI口连接一个1 Mbit的串行FLASH，用于用户设置及数据的掉电保存。DSP外挂了一个4 Mbyte的Parallel FLASH，由于DSP的地址线为19位，而并行FLASH的地址线为21位，所以本次设计通过FPGA实现对DSP地址线的扩展。地址线扩展原理如下所述:由于BF531的片外异步存储器最大可达4 Mbyte，由4个1 Mbyte异步存储块构成，每个块的选通分别由AMS3#～AMS0#控制，AMSx#同FLASH的最高两位地址的关系［5］，如表1所示。

表1 AMSx#与FLASH高位地址值对照表

故通过Verilog语言编程使FPGA根据BF531的异步存储器控制引脚的状态，输出对应的最高两位地址的值即可实现地址总线的扩展。具体实现如下:

(3)按键采集控制

按键采集设计中，为了简化电路，本次设计使用了清零线button_clr、时钟线button_clk、按键值数据线button_y三根信号线，实现了对所有按键信号的采集。图4为按键信号采集电路，其主要由一个双二进制计数器和两个8通道的多路复用器组成。按键状态信息通过按键值数据线button_y被记录与FPGA中相应的寄存器，DSP直接查询FPGA的寄存器即可获取按键信息。

图4 按键信号采集电路图

(4)紫外LED照射控制

对于紫外LED的控制，具体体现在照射强度及照射时间的控制上。DSP根据从图形操作界面的采集到的按键信号生成具体的控制信号，将控制信号数据写入FPGA中相应的寄存器，FPGA经串行方式将信号发送到紫外LED驱动电源，电源再根据控制信号驱动紫外LED。由于FPGA的输出电平为3.3 V，而紫外LED驱动电源的输入电平为5 V，所以需要用到电平转换芯片74ALVC164245进行电平转换。

3 实验与结果

紫外LED照射器的最大照射功率为8 000 mW/cm2，功率在0～8 000 mW/cm2范围内可调。通过对图形操作界面的设置，照射器可进行固定照射和阶梯型照射。固定照射模式下，照射器在设定时间内照射功率恒定。阶梯型照射模式下，可以对照射功率进行分段设置，达到不同时间段输出不同照射功率的效果。实验中，我们进行了8 000 mW/cm2、6 000 mW/cm2、4 000 mW/cm2、2 000 mW/cm2等多种功率的照射。部分结果如图5所示。实验表明紫外LED控制系统可良好的控制紫外LED，实现设定照射功率和时间的紫外光照射。

图5 两种照射模式下的照射功率图

4 结论

本文从紫外LED的总体结构及工作原理出发，讨论了其控制系统的设计方案，以DSP+FPGA为核心的控制系统，可以快速的处理图形操作界面的按键信号并生成相应控制信号发送至紫外LED驱动电源，以驱动紫外LED，实现对紫外LED照射器的实时控制。相比与现今国产的紫外LED固化设备，本次研究主要从紫外LED固化设备操作的便捷性和功能的多样性进行了改进。丰富的控制按键以及直观的图形显示界面使得照射器易于操作，存储功能模块的引入使得用户可以保存设置及数据，便于下次的调用。图6为图形操作界面的主菜单界面。

图6 主菜单界面

［1］朱胜武，施文芳.紫外光/电子束固化市场状况及发展趋势［J］.辐射研究与辐射工艺学报，2001，19(3):161-167.

［2］朱胜武，施文芳.紫外光固化设备与光固化合物的研究［J］.感光科学与光化学，2001，19(4):295-301.

［3］Bob Goss.Bonding Glass and Other Substrates with UV Curing Adhesives［J］.International Journal of Adhesion and Adhesives，2002，12(5):405-408.

［4］Blackfin Embedded Processor ADSP-BF531/ADSP-BF532/ADSP-BF533 Datasheet，2008，Analog Devices Inc.1-5.

［5］ADSP-BF533 Blackfin® Processor Hardware Reference(Includes ADSP-BF531 and ADSP-BF532 Blackfin Processors).707-710.

［6］郭晓东.基于DSP的彩色TFT-LCD数字图像显示技术研究［D］.武汉:华中科技大学，2004:9-30.

［7］赵欢，许文海，卢永军.LED阵列型紫外光固化光源系统［J］.电子·激光，2007，18(11):1314-1316.

［8］董钊，高伟，甘玉泉.基于DSP的高精度恒温控制系统设计［J］.电子器件，2009，32(4):855-858.

［9］陈锋.Blackfin系列DSP原理与系统设计(第二版)［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［10］罗戈亮，鲁新平，李吉成.基于FPGA+DSP的实时图像处理系统设计与实现［J］.微处理机，2010，2:108-110.

［11］徐洋.基于Verilog HDL的FPGA设计与工程应用［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［12］傅海东.基于DSP和FPGA的车牌识别系统设计及实现［D］.成都:电子科技大学，2009:25-52.