智能灯光检测仪的设计与应用

牟向阳 张珊珊 曹 健 陈百伟

（中电装备山东电子有限公司，山东济南250109）

0 引言

1 产品工作原理

被监测的LED光通过反光镜聚集，然后被收集到的光在光导纤维中全反射传播进入光电倍增管，微处理器可以通过程序控制多路开关的导通和关闭，有选择性地打开几只开关，被打开的开关选择对应通道，LED光便会进入I/V转换电路，将光电流信号转换成电压信号，再经过二级运放，将电压信号进行放大，向下送给微处理器，微处理器内置数字信号处理器，利用特定的算法生成所需的数字信号的状态量，传递到上位机进行分析做出判断，当LED灯光亮时上位机则通过菜单显示正常，否则为显示异常。同时可以驱动扬声器进行声音报警或者开启报警灯进行声光报警，以防人为因素导致漏掉LED显示异常的设备。该仪器可将3盏LED信号灯的实时状态信息和预先设置的设备故障状态信息进行比对，如果发现被监测设备运行异常，它就通过以太网或RS485接口传递给计算机。在上位机上运行的应用软件收到告警数据包便可启用网络发送告警消息，通知操作人员及时处理故障，如果计算机不能接收告警信息，告警信息会被存放在识别器的Flash存储区内，并定时发送直到该服务器数据库恢复工作，进行信息备份。最终识别出该LED的状态信息：发光颜色和是否点亮。整机原理如图1所示。

图2为该检测仪硬件原理框图。

图1 整机原理图

仪器仪表等常见设备的运行状态一般都会通过它们面板上的LED信号灯反映出来，检测机构或生产车间要求工作人员对有功、无功、跳闸、背光等信号指示灯进行逐一检查，定位故障。不言而喻，人工目检信号灯很费时间，连续长时间检查，工作人员易因疲劳、粗心等原因出现遗漏和差错，而且人工检测也会出现检测不及时、不可靠等问题。

所谓“智能检测”，只要将带有LED灯的仪器仪表放在检测仪对应位置，通过检测信号灯的状态即可发现LED元器件的好坏。因此，利用此种检测仪器能够避免人为检测产生的纰漏，节省人力，而且检测速度快，大概0.5～3 s就可以检测一只设备，该方案也能为及时查找仪器仪表其他故障提供有效帮助。

图2 硬件原理框图

反光镜：是采光装置，为了获得近似平行光束的光线，一般采用非球面反光镜，非球面反光镜光斑小，聚光效果好，能够有效地将光束聚集在光导纤维上。光导纤维如图3所示。

光导纤维是利用光的全反射原理，当光线由光密媒质（折射率为n1）射入光疏媒质（折射率为n2）且入射角大于临界角（i）的时候，就会生全反射现象[1-2]，如图4所示。

临界角由下式决定：

式中，n2≪n1。

图3 光导纤维

图4 全反射原理图

2 检测的原理

在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数。首先给出闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数。然后预置闸门关闭信号（下降沿）到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。可以看出，实际闸门时间τ与预置闸门时间τ1并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。设在一次实际闸门时间τ中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns[3]，标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为：

由式（1）可知，若忽略标频fs的误差，则等精度测频可能产生的相对误差为：

式中，fxe为被测信号频率的准确值。

在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升沿触发的，在闸门时间τ内对fx的计数Nx无误差（τ=NxTx）；对fs的计数Ns最多相差一个数的误差，即，其测量频率为：

将式（1）和（3）代入式（2），并整理得：

由式（4）可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。

多路开关内部含有3组单刀双掷开关，3组开关具体接通哪一通道，由输入地址码ABC来决定，微控制器输出地址译码信号选择相应的通道打开与关闭。因为光电倍增管输出微弱的电流信号，所以要将电流信号转换为电压信号才能进行检测。如果利用负载电阻，在负载电阻较大而光电流信号较小时，则会影响光电倍增管的频率响应和线性度。二级运放将转换输出的电压信号进行放大，便于微控制器内部的A/D能够有效采集。FLASH采用铁电存储器、SPI通信方式，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命，由于现场需要采集每块设备LED灯的信息，因此数据量很大；微处理器与上位机直接的交互采用RS485工业总线或USB接口通信方式。整机产品如图5所示。

3 产品主要特点

（1）物理隔离：被检测设备的LED光信号通过光导纤维传递进入检测仪，与检测设备无任何电气连接，能够防止设备电源异常引起设备故障及其他原因导致的故障异常现象。

图5 整机产品图

（2）方便、省时、省力：对设备生产过程无需进行硬件接线，不需人为目检和巡检。

（3）高可靠性：能够将每只表的LED状态信息分别进行存储和备份，通过上位机即可操作剔除不良品，大大提高了生产效率，能够提升公司自动化生产能力。

4 产品主要技术指标

可识别7种LED颜色，分别为红、黄、白等；可识别LED状态：常亮、常灭；同时识别路数：4路（由于国网新标准取消了报警灯）。

报警方式：（1）微处理器主动上报；（2）本地声光扬声器、霓虹灯报警。

备份报警信息功能：可以备份储存10 000只设备的报警信息。

通信物理接口：10/100M以太网（TCP/IP）、RS485（国网645新规约）、标准USB2.0接口。

正常工作电源：交流220 V/直流5 V，功耗小于1.5 W。

智能设备生产管理系统：LED信号灯状态监控软件界面。

5 结语

本文通过分析LED灯光特性和灯光检测理论知识，设计出仪器仪表的检测电路，可以对设备LED插装生产、调试、检验等过程进行自动点检、巡检，取代人工巡检，进一步提高生产率，能够完全取代现有检查工艺，自动检测每只设备的LED工作状态，保证检测质量。