基于LabVIEW的LED结温特性测量仪中山大学.docx

基于LabVIEW的LED结温特性测量仪中山大学.docx

《基于LabVIEW的LED结温特性测量仪中山大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于LabVIEW的LED结温特性测量仪中山大学.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于LabVIEW的LED结温特性测量仪中山大学

本科生毕业论文

题目：

基于LabVIEW的LED结温特性测量仪

院系：

信息科学与技术学院

专业：

电子信息科学与技术

学生姓名：

郑道歆

学号：

04372056

指导教师：

黄晓

（职称）

二〇〇八年四月

摘要

利用动态电学测量方法来测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温数据。

该方法利用发光二极管PN结的正向压降VF与PN结的温度成线性关系的特性,通过测量其在不同温度下的正向压降差来得到发光二极管的结温。

本系统以ATMEL增强型FLASH单片机AT89S52作为主处理器以完成主要的测控任务，单片机选通CD4051不同的通道电压来控制压控恒流源的电流输出，其负载为LED，同时启动AD读取不同电流值下LED的PN结电压数据，经单片机处理后通过RS485总线传送到PC机上进行处理。

PC机软件由具有图形界面编程能力的LabVIEW进行编写，负责与单片机系统进行命令交互控制与测试数据的处理。

本系统已经应用于高亮度LED的测试，测算出来的结温数据误差小，取得了较好的测试效果。

关键词：

白光LED，结温，LabVIEW

Abstract

BaseontheelectronictechniquetomeasurethejunctiontemperatureoftheGaN_basedwhiteLEDs,wegetaexactdata.ThismethodusethelinearprogrammingbetweenpositivevoltageandtemperatureofPN_junction.ThissystemtaketheAtmelAT89S52microcontrollerwhichislow-power,high-performanceandwith8KFlashbytesofin-systemprogrammableFlashmemoryasthecontrolcenter.TheMCUchoosethedifferentchannelsoftheCD4051chiptocontrolthevoltage-controllingcurrentsource,whichcanhasvariouscurrentoutput.Andatthesametime,theMCUstartuptheADconvertertogetthevoltageofPN_junctionduringdifferentcurrent.ThevoltagedataprocessedbyMCUissendtothePCviaRS485bus.ThesoftwareonPCiswrittenbyLabVIEW,whichhavegraphicalinterfacescapability.ThesoftwarecommunicatewiththeMCUtoprocesscommandandparameter.ThissystemisusedtotestGaN_basedwhiteLEDs,andthetestingresultisallright

Keywords:

whiteLEDs,junctiontemperature,LabVIEW

第一章前言…………………………………………………………………….......1

第二章大功率LED特性及LabVIEW综述...……………………………..……..2

2.1大功率LED特性……………………………………………………………….2

2.1.1LED的工艺特性……………………………………………………...2

2.1.2LED的优缺点………………………………………………………...2

2.1.3LED的实际应用以及急需解决的问题……………………………...3

2.2LabVIEW简介………………………………………………………………....3

2.2.1LabVIEW的编程语言特点…………………………………………..4

2.2.2虚拟仪器的概念……………………………………………………...5

第三章结温测量仪整体系统设计………………………………………………...5

3.1结温测量仪的原理……………………………………………………………..5

3.2硬件设计方案…………………………………………………………………..5

3.2.1各部分硬件功能简述………………………………………………..5

3.2.2硬件电路器件参数确定……………………………………………...6

3.3软件设计方案………………………………………………………………......6

3.3.1LabVIEW平台特性……………………………………………….....6

3.3.2PC机程序整体框架以及各部分功能模块划分……………….........7

3.3.2.1上位机软件操作流程……………………………….........7

3.3.2.2系统功能模块划分……………………………………......8

3.3.3上位机与下位机通讯接口协议…………………………………….....9

3.3.3.1硬件协议………………………………………………......9

3.3.3.2软件协议………………………………………………......9

第四章上位机通讯接口及用户界面.......…………………………………….......10

4.1LabVIEW程序架构的比较………………………………………………........10

4.1.1顺序结构……………………………………………………..…........10

4.1.2并行结构……………………………………………………..…........11

4.1.3EVENT+QUEUE结构………………………………………..……..11

4.2PC机软件各模块的算法与实现………………………………………..….....12

4.2.1用户权限控制块………………………………………………..……12

4.2.2命令控制模块…………………………………………………..........13

4.2.3数据处理模块…………………………………………………..........14

4.2.4图形显示与打印模块……………………………………………......15

4.3CRC校验的算法与实现……………………………………………………....16

4.3.1CRC校验的算法简介…………………..…………………………...16

4.3.2CRC在LabVIEW平台的实现…………..………………………….16

4.4整体软件界面……………………………………….………………………...17

4.4.1登录界面………………………………….…………………….…...17

4.4.2串口设置界面…………………………….…………………………18

4.4.3电流设置面板…………………………….…………………………18

4.5结果分析…………………………………………….………………………...19

4.5.1实际波形分析…………………………….…………………………19

4.5.2软件波形分析…………………………….…………………………20

第五章结论…………………………………………….…………………………21

致谢………………………………………………………….………………………..22

参考文献…………………………………………………………….…………………………...23

第一章前言

目前随着技术的发展，大功率白光LED的寿命在逐渐加长，是未来绿色，环保，节能光源的发展方向。

但是结温升高会使白光LED的光度、色度学性能变差以及寿命变短，因而对结温的测试在大功率LED的研制中具有非常重要的地位。

目前对LED结温的研究主要有三种方法，分别是管脚温度法，电致发光谱法，正向电压法。

管脚温度法是利用Pt电阻测量LED的管脚温度,然后通过耗散功率和热阻系数求得结温。

电致发光谱法是一种非接触的结温测量方法，它利用的是白光LED的电致发光EL谱中蓝光与白光的功率比值随结温变化的关系来测量结温。

正向电压法是利用LED电输运的温度效应通过测量工作电流下的正向电压与结温的有着较好的线性关系来确定结温。

第二章大功率LED特性及LabVIEW综述

2.1大功率LED特性

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的[1]。

2.1.1LED的工艺特性

白光LED的工艺结构和白色光源。

对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成。

第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。

这两种方法都已能成功产生白光器件。

第一种方法产生白光的采用LEDGaM芯片发蓝光（λp=465NM）和YAG（钇铝石榴石）荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光。

第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光[2]。

2.1.2LED的优缺点

大功率LED作为光源用于照明具有以下优点：

（1）电压低：

LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，

所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

（2）效能：

消耗能量比同光效的白炽灯减少80% 

（3）适用性：

很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种

形状的器件，并且适合于易变的环境 

（4）稳定性：

10万小时，光衰为初始的50% 

（5）响应时间：

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 

（6）对环境污染：

无有害金属汞 。

大功率LED的缺点是价格太贵，使一般百姓家难以接受，大大推迟了它在实

际应用中的普及。

2.1.3LED的实际应用以及急需解决的问题

目前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。

这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高，并可降低生产成本。

在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验，有利于将来的推广。

这些应用领域都是用电大户，对节电能起到很大作用。

它们是：

（1）城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）。

（2）隧道及地下停车场（包括地下商场）。

（3）交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯）。

（4）大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等。

（5）无电区的LED灯照明工程。

由于LED照明灯一般采用低压直流（恒流）供电。

若采用交流220V市电供电，需要专门的变电装置输出低压直流电（如12V、24V等）并由LED驱动器来驱动LED灯。

所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯，则在建筑设计中都把它设计在内，这要经济得多。

而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明，则改造的费用大、改造的时间长（如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统）。

2.2LabVIEW简介

2.2.1LabVIEW的编程语言特点

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是虚拟仪器概念的首创者，是美国NationalInstrument（简称NI）公司推出的一个图形化软件开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

。

在一般的数据管理，科学计算等方面，在LabVIEW环境下也可以开发出优秀的应用程序。

LabVIEW的最大优势在于测控系统的开发，因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数的通用标准的实时数据库链接。

据统计，使用LabVIEW开发的虚拟仪器比使用基于文本语言的开发效率可以提高10～15倍[3]，程序的执行却几乎不受影响；同时在信号处理等方面的强大功能是组态软件不可以比的。

与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。

LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。

LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

2.2.2虚拟仪器的概念

  虚拟仪器（virtualinstrumention）是基于计算机的仪器。

随着技术的发展，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，这种方式的虚拟仪器可以很方便的进行数据的采集，传输，处理。

当计算机外接不同功能的硬件，其定义的仪器性质与功能也发生相应的变化，很方便用户的使用，而且基于计算机的这个强大的处理平台，可以实现更形象生动地显示数据，更快速地处理数据。

虚拟仪器主要是指这种方式。

第三章结温测量仪整体系统设计

3.1结温测量仪的原理

LED作为一种半导体期间，主要以热阻（

）表征其本身的热学特性，根据文献热阻的定义式为：

（1）

式中

是待测器件PN结打到指定环境之间的热阻（

）；T1是测试条件稳定时的待测器件的结温（

）；Tx是指定温度的参考温度（

）；

是待测器件的耗散功率[W]。

因此，为了测定LED的热阻须确定式

（1）右边的三个参数，而其中参数之一的结温（T

）则是测量中的重点，结温的测量可以通过下式表示的方法进行

（2）

（3）

式中

是待测器件未施加加热功率前的初始结温（

）；

是因施加加热功率引起的结温变化量（

）；K是定义

与

之间关系的常量（

/mV）；

是温度敏感参数值得变化量（mV）[1]。

3.2硬件设计方案

3.2.1各部分硬件功能简述

整个下位机系统采用增强型的带flash内存的AT89S52单片机为处理核心，单片机主要有以下几个功能：

（1）通过RS485总线负责与PC机通讯，处理PC机发送来的命令与数据，设置好高电流与低电流各自的持续时间。

（2）根据PC机的命令选择CD4051不同的控制通道，通过不同通道的电压来调节输出电流的大小

（3）启动AD转换器，把采集到的电压数据传送回电脑。

压控电流源部分电流是由运算放大器，反馈电阻和大功率达林顿管组成。

电路采用了自举反馈式，电路简单可靠，易于调节。

硬件系统的电路图如图3－1所示：

图3－1

3.2.2硬件电路器件参数确定

单片机采用ATMEL的AT89S52，此芯片具有在线可编程功能，内部256个单元的RAM，方便数据的暂时存储与处理。

由于电流的切换要求下降沿足够陡峭，因而压控电流源的动作速度要足够快，此部分的延时主要有CD4051通道的切换延时，运算放大器的反馈速度，达林顿管的开关速度，其中运算放大器占据主要地位，故运算放大器采用速度较快的OP27[4].

3.3软件设计方案

3.3.1LabVIEW平台特性

LabVIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。

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或框图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

  利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。

像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

由于LabVIEW在工程实践中具有如此方便高效的特点，因而在上位机软件中采用它替代普通的VC,VB编程语言来进行界面的编程。

3.3.2PC机程序整体框架以及各部分功能模块划分

3.3.2.1上位机软件操作流程

整个上位机软件的流程是：

（1）当用户开始操作时，判别是处于输入用户和密码状态还是新用户注册状态，并对输入的用户和密码进行判别。

（2）进入串口以及数据采集参数的设置面板，此时应该判别输入参数的合法性。

（3）将命令以及数据进行打包，并对其实现CRC校验，通过ModBus协议发送给下位机。

（4）接收下位机回送的采集数据，先进行数据的校验，再显示数据。

（5）根据用户设置来保存数据。

实现这些步骤的流程图如图3－2：

图3－2

3.3.2.2系统功能模块划分

根据详细的系统功能分析，PC机的软件主要分为以下四个部分：

（1）用户权限控制模块：

用户设置密码,防止非专业人员随便操作程序，破坏有用的数据文档。

（2）命令控制模块：

接受用户输入的参数，判别其是否为合法的命令代码，如果合法则产生对应的控制代码，否则给出相应的出错处理。

（3）数据处理模块：

基于ModBus协议接收单片机回送的数据，进行CRC校验，如果数据格式合法则执行相应的处理。

（4）图形显示与存储打印模块：

把数据以相应的曲线显示出来，并提供相应的存储打印服务，方便用户操作。

3.3.3上位机与下位机通讯接口协议

3.3.3.1硬件协议

RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：

发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。

由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压[5]。

故传输信号在千米之外都是可以恢复。

3.3.3.2软件协议

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。

通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。

它已经成为一通用工业标准。

有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。

它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。

它制定了消息域格局和内容的公共格式。

当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。

如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。

在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。

这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

为了方便和加快数据的传输，本系统采用ModBus的RTU协议，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。

在网络波特率下多样的字符时间，这是最容易实现的（如下图的T1-T2-T3-T4所示）。

传输的第一个域是设备地址。

可以使用的传输字符是十六进制的0...9,A...F。

网络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间内。

当第一个域（地址域）接收到，每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。

在最后一个传输字符之后，一个至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束。

一个新的消息可在此停顿后开始。

整个消息帧必须作为一连续的流传输。

如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。

同样地，如果一个新消息在小于3.5个字符时间内接着前个消息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续[6]。

这将导致一个错误，因为在最后的CRC域的值不可能是正确的。

一典型的消息帧如表3－1所示：

表3－1

起始位

设备地址

功能代码

数据

CRC校验

结束符

T1-T2-T3-T4

8Bit

8Bit

n个8Bit

16Bit 

T1-T2-T3-T4

第四章上位机通讯接口及用户界面

4.1LabVIEW程序架构的比较

4.1.1顺序结构

基于文本的编程语言，程序是按照语句出现的顺序来执行的。

而在LabVIEW这种数据流的程序中，只要一个节点所需要输入的数据全部到达就可以开始执行。

如果有时需要某个节点先于其他节点执行，可以用顺序结构作为控制节点执行次序的一种方法。

以图4－1为例当要执行HeatStrobWaring这个函数时，前面的CurrentTemp与MaxTemp必须执行大于或等于这个操作完。

图4－1

4.1.2并行结构

与众多的编程语言不同，LabVIEW具有同时处理多任务的并行结构。

这种“并行结构”不是真正意义上的硬件并行处理，而是基于高效的编译系统编译出一种“伪并行”的可执行代码。

用户完全不用考虑处理器如何处理指令，只关心其LabVIEW程序架构就可以了。

如图4－2所示，LOOP1里面执行的代码与LOOP2里面的没任何数据流依赖关系，两个任务同时进行。

图4－2

4.1.3EVENT+QUEUE结构

NI提供顺序结构，但是并不提倡，主要是因为顺序结构破坏了作为LabVIEW优点之一的并行运行机制，并且由于掩盖了部分程序代码，中断了LabVIEW的数据流形式。

而单纯的并行结构则妨碍了数据的交流。

EVENT+QUEUE结构恰好解决了这些问题，它扩展了数据流编程的功能，允许用户在前面板的直接干预或不同程序不同部分之间的交流影响程序的执行。

EVENT+QUEUE结构分为两部分，一