一種智能LED助航燈的設(shè)計(jì)

張玉杰 劉 蘊(yùn)

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

目前，機(jī)場助航燈光的光源大部分采用白熾燈和鹵鎢燈，存在壽命短、易損壞、功耗大、效率低等缺點(diǎn)。機(jī)場助航燈光回路采用串聯(lián)高壓供電方式，調(diào)光器電路復(fù)雜、故障率高，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)回路均無法工作。大功率LED照明應(yīng)用于助航燈還存在因LED過熱引起的LED擊穿、失效、光衰、色衰等問題以及可靠性低、光輸出穩(wěn)定差的技術(shù)缺陷。由于助航燈高度分散，出現(xiàn)故障后無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維修，需要人員現(xiàn)場巡查才能發(fā)現(xiàn)和排除故障［1］。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種智能LED助航燈的設(shè)計(jì)方案。LED光源具有抗震性好、壽命長、高效節(jié)能和熱輻射小等特點(diǎn)［2］，能夠滿足機(jī)場助航燈要求。因此，LED光源在機(jī)場空側(cè)助航領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)采用發(fā)光LED冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了燈具的自診斷、自調(diào)節(jié)、多路恒流控制、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能;燈具網(wǎng)絡(luò)化，確保了燈具的工作效率;系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測能實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并報(bào)警，可在線更換并迅速排除故障;亮度實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，確保助航燈的亮度恒定輸出。

1 燈光站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燈光站由主控計(jì)算機(jī)、多個(gè)燈光控制器、電源監(jiān)視和切換模塊以及發(fā)電機(jī)控制模塊等構(gòu)成。燈光站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燈光站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of light station system

燈光控制器通過雙冗余CAN總線接收主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制命令并執(zhí)行，反饋當(dāng)前LED燈具運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)上傳各種測量數(shù)據(jù)。LED助航燈燈具通過電力載波通信接口接收燈光控制器發(fā)送的控制命令，并對(duì)控制命令進(jìn)行解析，實(shí)現(xiàn)LED助航燈的亮度調(diào)節(jié)。同時(shí)，LED助航燈燈具向燈光控制器反饋LED助航燈的運(yùn)行狀態(tài)以及電流、電壓、溫度、亮度等工作參數(shù)，及時(shí)監(jiān)測當(dāng)前燈具的故障狀態(tài)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2 LED助航燈燈具電路設(shè)計(jì)

作為一個(gè)智能化的設(shè)備，LED助航燈燈具不僅是發(fā)光源，同時(shí)也是光源的控制器。LED燈具電路分為LED驅(qū)動(dòng)電路和燈具控制電路兩部分。

LED燈具控制與驅(qū)動(dòng)電路以32位閃存的嵌入式微控制器 STM32F107為核心。STM32F107以 ARM Cortex-M3為內(nèi)核，具有72 MHz運(yùn)行頻率、64～256 kB Flash和高達(dá)64 kB的SRAM。其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12 bit ADC轉(zhuǎn)換器、2個(gè) I2C接口、5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI端口和兩路CAN2.0B接口。

燈具控制電路包括LED電壓檢測電路、電流檢測電路、LED光板溫度檢測反饋電路、LED發(fā)光亮度檢測電路、控制LED發(fā)光亮度的PWM電路、與燈光控制器實(shí)時(shí)通信的電力載波接口電路以及故障反饋電路。LED驅(qū)動(dòng)電路包括帶功率因數(shù)校正PFC的AC/DC轉(zhuǎn)換電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路以及恒流驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 電力載波通信

電力線載波技術(shù)利用電力線傳輸數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸提供了極大的便利［3］。電力載波通信模塊采用北京曉成公司生產(chǎn)的高性能低壓專用電力載波通信芯片PL2101。該芯片是一個(gè)新型直序擴(kuò)頻半雙工調(diào)制解調(diào)器，抗干擾能力強(qiáng)。它由單一的+5 V電壓供電，與微控制器的接口簡單，載頻為120 kHz，帶寬為 15 kHz，傳輸速率為 500 bit/s，接收靈敏度高達(dá)30 μV。PL2101還具有上電復(fù)位、電壓檢測電路、32 B SRAM、看門狗定時(shí)、編程實(shí)時(shí)時(shí)鐘等附屬功能電路。

LED助航燈通過電力載波通信接口實(shí)現(xiàn)和燈光控制器的通信，接收燈光控制器的指令，控制LED的開關(guān)、亮度和色彩;同時(shí)把LED的工作狀態(tài)和電壓、電流、溫度、亮度等工作參數(shù)上傳到燈光控制器。電力載波不僅現(xiàn)場施工方便，而且也進(jìn)一步降低了助航燈控制系統(tǒng)成本。

2.2 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路

LED恒流驅(qū)動(dòng)電路包括帶功率因數(shù)校正電路PFC的AC/DC轉(zhuǎn)換電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路以及恒流源驅(qū)動(dòng)電路。LED恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 LED恒流驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 The circuit of LED constant current driver

LED驅(qū)動(dòng)器選用NS公司的大功率LM3464驅(qū)動(dòng)器。LM3464具有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整功能并擁有4條獨(dú)立的穩(wěn)流器通道，可以最大化提高系統(tǒng)效率。每條通道可驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)LED。LM3464設(shè)計(jì)精簡、開發(fā)成本低，符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

LM3464通過PWM調(diào)節(jié)接口DIM接收微控制器的PWM控制信號(hào)，從而控制引腳GD1～GD4的輸出，達(dá)到4通道恒電流輸出的目的，實(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。

2.3 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整控制

LED照明只能采用直流供電［4］。帶功率因數(shù)校正電路PFC的AC/DC轉(zhuǎn)換電路及DC-DC轉(zhuǎn)換電路將市電220 V的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，LM3464配備外部穩(wěn)壓器接口 Outp，交流電變直流電的輸出電壓由LM3464直接控制。LM3464可通過DR1～DR4引腳檢測各LED燈串電壓，從而控制Outp引腳的輸出，并使交流電變直流電的輸出電壓在滿足所要求電流值的情況下達(dá)到最小值，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整控制DHC功能，系統(tǒng)效率可提高到95%以上。

2.4 恒亮度控制

亮度檢測模塊采用光傳感器ISL29004。ISL29004是新一代光-數(shù)字傳感器，集成了電流放大器［5］，能將光照度轉(zhuǎn)化成16位I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出信號(hào)，內(nèi)含16位ADC、8個(gè)8位寄存器、4個(gè)只讀數(shù)據(jù)寄存器、2個(gè) I2C接口地址選擇引腳A0、A1。

每個(gè)恒流源對(duì)應(yīng)一組LED光板，微控制器通過亮度檢測電路獲得每組LED助航燈輸出的亮度，利用PWM控制恒流源輸出恒定電流，達(dá)到不同等級(jí)下的恒亮度控制的目的，確保同一燈光站的LED助航燈輸出光度的一致性和恒定性。

2.5 故障檢測

當(dāng)某串聯(lián)LED因出現(xiàn)開路而發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整控制環(huán)路會(huì)被誤導(dǎo)，以致通過提高DC-DC電源輸出電壓作出補(bǔ)救，從而增加功率損耗。

恒流源控制器LM3464分別通過引腳SE1～SE4和DR1～DR4實(shí)時(shí)監(jiān)測各LED燈串電流和電壓，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)以上故障，并關(guān)閉故障通道，將故障通道與動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整環(huán)路隔離。同時(shí)，LM3464通過引腳Faultb將故障信號(hào)反饋給微控制器，通過電力載波接口向燈光控制器上傳故障信息及報(bào)警信號(hào)。

2.6 后備恒流源設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可靠性，LED驅(qū)動(dòng)電路采用了多路恒流控制［6］，LED實(shí)行串并結(jié)合的方案，增設(shè)后備恒流源和LED光板。當(dāng)有一個(gè)LED因開路或短路失效而造成亮度下降時(shí)，微控制器將通過故障反饋電路獲得故障信號(hào)。當(dāng)主恒流源無法通過增加電流來提高亮度時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)后備恒流源，微控制器通過PWM控制后備LED光板，確保LED助航燈的恒亮度輸出，從而達(dá)到在線更換、迅速排除故障的目的。

2.7 過熱保護(hù)

溫度傳感器采用精度高、功耗低的LM35芯片，其最大測溫范圍為－55～150℃，測溫精度為0.5 K。LM35的輸出信號(hào)是與溫度成正比的電壓信號(hào)(10 mV/℃)。微控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測LED光板的溫度，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，微控制器通過調(diào)節(jié)PWM控制信號(hào)減小LM3464的恒定輸出電流，避免LED過熱受損;若溫度繼續(xù)上升，則電流進(jìn)一步降低，直至達(dá)到預(yù)設(shè)的最低照明亮度輸出。此時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)后備恒流源，彌補(bǔ)亮度損失。

3 燈具控制軟件設(shè)計(jì)

燈具控制軟件采用了 μC/OS-II的操作系統(tǒng)。μC/OS-II是一個(gè)免費(fèi)的、源碼完全公開的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。與其他操作系統(tǒng)相同，μC/OS-II也是從main()函數(shù)開始執(zhí)行，完成操作系統(tǒng)的初始化、任務(wù)創(chuàng)建并啟動(dòng)任務(wù);同時(shí)，它還可以再添加部分與操作系統(tǒng)無關(guān)的工作［7－10］。燈具控制系統(tǒng)主要分為5個(gè)任務(wù)，這5個(gè)任務(wù)均由main()任務(wù)創(chuàng)建。燈具控制軟件框架如圖3所示。各任務(wù)的主要功能如下。

圖3 燈具控制軟件框架Fig.3 The software framework for lamps control

①電力載波通信服務(wù)任務(wù)TASK0，主要負(fù)責(zé)將燈光控制器的控制命令下達(dá)給每個(gè)燈具，并將燈具的工作狀態(tài)及工作參數(shù)上傳至燈光控制器。

②系統(tǒng)輸出服務(wù)任務(wù)TASK1，主要負(fù)責(zé)PWM控制信號(hào)的輸出，以至于控制恒流源輸出恒定電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED亮度的調(diào)節(jié)。

③動(dòng)態(tài)監(jiān)測管理任務(wù)TASK2，每隔15 s對(duì)LED的電壓、電流、亮度、LED光板溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。

④故障處理服務(wù)任務(wù)TASK3，主要完成當(dāng)LED出現(xiàn)故障，啟動(dòng)后備恒流源的工作。

⑤實(shí)時(shí)時(shí)鐘刷新任務(wù)TASK4，主要完成實(shí)時(shí)時(shí)鐘變量Time_Flag的刷新工作。

燈具控制系統(tǒng)的操作系統(tǒng)通過管理上述5個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文以STM32F107為核心處理器，設(shè)計(jì)了一種LED助航燈及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效解決助航燈效率低、可靠性差、穩(wěn)定性不佳、故障監(jiān)測不便等問題。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，助航燈光電源穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、效率高、操作靈活方便、實(shí)時(shí)性好。在實(shí)際機(jī)場的應(yīng)用中，該系統(tǒng)能滿足助航燈光故障檢測與自診斷、自調(diào)節(jié)的功能要求。

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