基于LabVIEW的VLC—LED模组结温非接触式测量系统设计

郭杰 马军山 饶丰

摘要：可见光通信中LED模组结温影响其光、色、电特性及工作寿命，对模组结温的测量及管理十分重要。因LED模组管脚存在无法接触测量的缺点，LED结温非接触式测量方法广受关注。在研究双光谱参数测量LED结温的基础上，开发了VC-LED模组结温的非接触式测量系统。该系统主要由恒流源控制、光谱数据采集和数据分析处理3个模块组成。经实验验证，双光谱参数法与中心波长法相比，两者结果偏差在3℃以内。采用该系统测量LED模组结温，不但直观、准确，且不需要接触LED管脚，实现了LED模组结温的非接触测量。

关键词：结温测量；非接触式；LabVIEW；发光二极管阵列；曲线拟合

DOIDOI：10.11907/rjdk.181963

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）010-0117-04

英文摘要Abstract：In visible light communication， the junction temperature of LED module affects its color and electrical characteristics and lifetime， which is very important for measuring and managing the junction temperature of modules.Because of the failure to contact the LED module pins， the non-contact measurement method has attracted people′s attention. Based on the non-contact LED Array junction temperature testing method，a non-contact detection system for VLC-LED module junction temperature is developed. The system consists of three modules，i.e.， control of current source， spectral data acquisition and data analysis and processing. Experimental results show that the deviation between the two spectral parameters method and the central wavelength method is less than 3 degrees. Therefore， using this system to measure the junction temperature of LED module is not only intuitive and accurate， but also does not need to contact the LED pin， thus achieving the non-contact measurement of the junction temperature of the LED module.

英文關键词Key Words：junction temperature measurement；non-contact junction temperature detection；LabVIEW； light emitting diode arrays；curve fitting

0 引言

可见光通信（VLC）技术由于其较强的抗干扰性、环保、低耗能等优点，成为目前通信领域的研究热点[1-3]。LED模组是可见光通信的主要器件。PN结温度是影响LED光色电特性及工作寿命的重要因素[4-7]，不能对VLC-LED模组结温准确测量及有效管理已成为阻碍其发展的最大问题。目前，LED结温测量的国际标准方法是正向电压法[8]，但在测量时往往受到灯具外壳及产品封装等限制，一般难以接触LED管脚，不能实现LED引脚两端电压的测量[9]，同时其测量条件是在小电流状态下进行，无法及时掌握现场运行的LED灯具结温，这些问题严重限制了正向电压法的应用。因此，非接触式LED结温测量方法受到研究者关注。在LED阵列结温研究方面，2004年Hong[10]提出峰值波长法表征AlGaInP基LED阵列结温，但阵列峰值往往较为平坦且不止一个，测量困难；2013年，Chen[11]提出中心波长法，采用归一化光谱1/2高处的极限波长的平均值作为阵列平均结温。近年来，本课题组提出采用质心波长和相对光谱差异表征AlGaInP基LED阵列平均结温，结果比中心波长法更为准确[12-13]。在系统设计方面，2013年张晶晶[14]采用LabVIEW设计了基于峰值波长法的LED非接触式检测系统。2016年李达波[15]采用CMOS相机成像方法开发了LED结温非接触式测试系统，其测量误差在10℃以上。2017年温怀疆[16]设计了VLC-LED快速脉冲响应测量结温装置，然而，该方法需要通过接触方式测量模组结电压。目前，对于LED模组阵列结温的非接触式测量系统还未见报道。

本文基于双光谱参数法[17]对VLC-LED模组结温进行测量，采用LabVIEW软件设计了VC-LED结温非接触式测量系统。该系统只需通过驱动恒流电源，利用光谱仪采集光谱数据即可得到LED结温，具有快速、实时且不受LED模组封装限制等优点。

1 测量原理

LED发光光谱随驱动电流、结温的不同发生变化。对双参数法[17]的研究结果表明，在同一驱动电流下，LED光谱质心波长、半高全宽随结温呈线性关系变动；在同一结温下，LED光谱质心波长随电流呈指数关系变动。通过标定热平衡状态下不同结温、不同驱动电流的LED光谱质心波长、半高全宽，建立三者间的关系曲线。在实际操作中，可以将白光VC-LED模组放在温控台上，使其达到热平衡状态，此时，将温控台温度近似为LED结温，测量LED模组发光光谱，求出双光谱特征参数即质心波长和半高全宽。一个温度对应一个模组光谱。改变温控台温度，标定结温与模组光谱的曲线关系，通过数值拟合得到VC-LED模组结温与光谱参数的对应关系，将其应用到实际样品测试中，只需要采集实际工作时的模组发光光谱，利用系统即可获得VC-LED模组结温，从而实现对其结温的管理和控制。

2 系统硬件设计

测试系统主要通过检测不同温度下LED模组的发光光谱，实现LED结温的间接测量。如图1所示，系统由WY3101恒流源、TC-100温控装置、2m积分球、Hass2000型光谱仪、待测LED模组、TRA-200热阻结构分析仪等组成。TC-100温控装置为测试提供稳定的测试衬底温度，其误差范围为±1 ℃。WY3101恒流源给VC-LED模组供电，其误差范围为±1 mA。光谱仪采集光谱数据后传递给计算机进行处理，拟合出结温与光谱间的关系，储存多种定标数据，实时显示VC-LED模组结温。

3 系统软件设计

LabVIEW是由美国恩艾公司开发的图形化编程平台，具有高效、易维护、强开放性等诸多优点，在国内外工程界应用广泛[18]。目前，国内外厂商生产的各类仪器通常都提供了基于LabVIEW的动态链接库及子程序，以便用户二次开发。

依据测量原理，软件系统分为系统定标和实时测温两部分，这两部分按照功能可划分为恒流源控制、光谱数据采集及数据分析处理3个模块。恒流源控制模块主要实现对恒流源的通信控制，以输出电流驱动VC-LED模块；光谱数据采集模块通过USB通信控制，传输光谱数据；数据分析处理模块可实现数据的分析处理、模型建立及结温计算。各模块相对独立，具有较好的维护性和调用性。

3.1 恒流源控制模块

对恒流源的输出控制采用虚拟仪器体系结构库函数（Virtual Instrument Software Architecture，VISA）编写。VISA是仪器编程的标准I/O API，利用VISA，用户可调用相应设备的驱动程序，实现GPIB、USB、串口及PXI端口的通讯与控制[19]。

恒流源控制模块主要通过RS232C串行接口实现上位机对WY3101恒流源电源输出控制及电压、电流值读取。其主程序流程如图2所示。首先发送设备地址码80，判断接收数据是否正确，如果不正确则提示用户设备连接出错，检查设备重新连接；然后发送命令字I，设置输出恒流电流值，也可以发送命令字G，读取当前各通道状态和电流电压值。传输的电压和电流数據为3字节，由8位J阶码和16位数据组成，采用16进制格式。程序设计中，使用状态机对按钮状态进行判断，通过参数设置输出所需驱动电流。

3.2 光谱数据传输模块

光谱数据传输由USB接口通信实现。当进行USB通信时，VISA提供了两类函数供LABVIEW调用：USB INSTR设备与USB RAW设备。USB INSTR设备是符合USB TMC协议的USB设备，可以通过使用USB INSTR类函数控制，通信时不需要配置NI-VISA；USB RAW设备指除了明确符合USB TMC规格的仪器以外的所有USB设备，通信时必须配置NI-VISA[20]。本系统通过配置硬件的VID和PID信息，生成inf文件并安装HASS2000光谱仪的VISA驱动。利用LabVIEW软件VIProperty、VIWrite、VI Read、VI Close函数即能实现计算机与USB设备之间的光谱数据通信，见图3。

3.3 数据分析处理模块

数据分析处理模块用于实现对光谱进行拟合修正，对光谱中各项特征参数进行计算。Hass2000光谱仪采集的数据为离散数据点，且受测试环境干扰，存在噪声信号，同时光谱峰值点具有一定测量误差。在数据处理时，采用数据插值和高斯函数对光谱数据进行拟合，见图4。计算光谱特征参数—质心波长和半高全宽后，建立图5中的LED结温与电流、质心波长及半高宽参数关系，根据图中热平衡时各点对应位置坐标可在等温线阵列中找到LED对应结温；根据该光谱分布特征参数坐标，亦可以在等电流线阵列中找出对应实时电流。

4 测试实验结果与分析

选用晶能35芯片白光LED作为测试样品，经过12小时老化，测试3颗串联LED灯珠样品，数据见表1。样品1实时电灯的对应质心波长-半高宽坐标位置（449.3，29.7），在图5中等温线位置处于25-35℃之间，确定LED对应结温29℃；同时，根据该坐标，可在纵向阵列中找出对应实时电流100mA。

如图6所示，对比系统测试得出实验数据与文献[11]中中心波长法的结果，两者最大偏差为2.8℃。实验结果达到同类产品方法的测量精度，具有较好的稳定性，同时不接触产品管脚，直观方便。

5 结语

本系统采用LabVIEW平台开发了VLC-LED模组的非接触式结温测量系统，实现了对恒流源、光谱仪的数据通信，并对采集的光谱数据进行分析处理，标定了光谱参数与结温、电流之间关系，最终通过实时通信时的光谱参数，换算出LED模组平均结温。经实验测试验证，采用双光谱参数法测量LED模组结温是可行的。同时，与中心波长法相比，该方法测量最大偏差2.8℃，达到同类方法的测量精度。本文设计的结温测量系统性能稳定，界面简洁、友好，功能实用，为将来实现LED模组结温及热管理系统提供了一种新的思路。

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（责任编辑：江 艳）