CN104797052A - 用于机器视觉***的环形高亮led光源 - Google Patents

用于机器视觉***的环形高亮led光源 Download PDF

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王帅贵
李功燕
姚益
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Abstract

本发明提供一种用于机器视觉***的环形高亮LED光源，包括：上位机、受控开关K1、光源控制器、隔离电路，光源驱动电路，以及LED串。所述上位机连接光源控制器的一个输入端，用于向光源控制器发送光源开关指令和光源亮度调节指令；所述受控开关K1连接光源控制器的另一个输入端，用于向光源发送器发送一个光源开关触发信号；所述光源控制器用于产生具有一定占空比的PWM方波，并在上位机光源亮度调节指令的控制下，调节输出PWM方波的占空比；所述隔离电路的输入端接所述光源控制器的输出端，输出端接光源驱动电路的信号输入端；所述光源驱动电路用于驱动LED串。该LED光源用于确保相机获得对比度明显、光照均匀性良好、目标物体突出的图像。

Description

用于机器视觉***的环形高亮LED光源
技术领域
本发明涉及嵌入式微型化工业视觉领域，尤其是一种专用于机器视觉***的环形高亮LED光源。
背景技术
随着社会信息化的普及、图像识别技术的进步，推动了工业视觉相关领域的发展。一个典型的机器视觉***包括照明光源、镜头、相机、图像采集卡和视觉处理器五个部分，机器视觉***的核心是图像采集和处理。由于所有信息均来源于图像，因此图像本身的质量对整个视觉***极为关键。而照明光源可以直接影响相机获取图像信息的质量，其最大的作用就是保障相机获得目标特征突出、光照均匀、对比度鲜明的图像。
具体体现在：合适的光源设计能够改善整个***的分辨率，可以大幅度降低图像处理算法分割和识别的难度，同时提高***的定位测量精度，使***的可靠性和综合性得到提高。反之，不合适的照明则会引起很多问题例如信噪比过低、花点、眩光、曝光过度、阴影等，阴影会引起边缘的误检；而信噪比过低、均匀性不够导致图像阈值选择困难***稳定性下降等不良结果。这些都会隐藏许多重要信息，该问题会导致图像处理算法设计和成像***设计事倍功半。
由此可见，照明光源对整个机器视觉***有着重要的影响，目前可供选用的照明光源的类型主要包括以下几种类型：白炽光源、荧光光源、LED光源、卤素光源、氙灯光源、激光光源等。荧光灯亮度相对较差，再加上其易碎，不易安装，使得它在许多机器视觉***中被淘汰；卤素灯的价格昂贵，并在实际的应用中，使用寿命太短，导致用户要定期更换灯泡来保证亮度。LED具有寿命长、响应时间短、光线颜色多、功耗低、环保等特性，近年来在机器视觉领域得到了快速地应用和发展。目前LED光源已在机器视觉光源领域占主导地位，是机器视觉的首选光源。
目前，国内外有几家公司都在研究开发LED照明光源，其中国外主要有日本CCS和Moritexg公司、美国AI等公司；国内主要有中国视觉龙、大恒光电和奥普特等公司。光源种类主要为同轴光源、背光光源、环形光源、条形光源。但这些光源在应用范围上都有很大的限制，一般都是用在特定的工业环境下，并不适用于本光源所适用的特定环境，也不满足该应用场景下的技术指标。已有LED光源具有亮度低、均匀性差、不支持上位机数字调光、机械结构不适用等不足。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于机器视觉***的环形高亮LED光源，确保相机能够获得对比度明显、光照均匀性良好、目标物体突出的图像，并提高了整个机器视觉***的分辨率和识别率，降低了图像处理算法分割和识别的难度，使***的可靠性得到提高。本发明采用的技术方案是：
一种用于机器视觉***的环形高亮LED光源，包括：上位机、受控开关K1、光源控制器、隔离电路，光源驱动电路，以及LED串。
所述上位机连接光源控制器的一个输入端，用于向光源控制器发送光源开关指令和光源亮度调节指令；
所述受控开关K1连接光源控制器的另一个输入端，用于向光源发送器发送一个光源开关触发信号；
所述光源控制器用于产生具有一定占空比的PWM方波，并在上位机光源亮度调节指令的控制下，调节输出PWM方波的占空比；
所述隔离电路的输入端接所述光源控制器的输出端，输出端接光源驱动电路的信号输入端；
所述光源驱动电路用于驱动LED串。
进一步地，所述受控开关K1为光电开关。
进一步地，所述光源控制器主要由FPGA芯片构成，所述FPGA芯片上设有与上位机通信的串口通信模块，以及可调占空比的PWM方波生成模块。
进一步地，所述隔离电路包括电阻R101，电阻R101的一端接光源控制器的输出端，另一端接光电耦合器U101的输入端阳极，U101的输入端阴极接光源控制器2的地；光电耦合器U101的输出端集电极接电阻R102的一端和电阻R103的一端，U101的输出端发射极接光源驱动电路的地；电阻R102的另一端接供电电压，电阻R103的另一端接NPN三极管Q101的基极，NPN三极管Q101的集电极通过电阻R104接供电电压，发射极接光源驱动电路的地；NPN三极管Q101的集电极用于连接光源驱动电路的信号输入端。
进一步地，所述光源驱动电路主要由凌特公司的电流源主驱动芯片LT3756EUD构成。
本发明的优点在于：
1）可以实现高亮度照明、上位机可数字调光，并且整个机器视觉***可以长期、稳定工作。
2）确保相机能够获得对比度明显、光照均匀性良好、目标物体突出的图像，并提高了整个机器视觉***的分辨率和识别率。
附图说明
图1为本发明的电原理框图。
图2为本发明的控制器输入和输出信号示意图。
图3为本发明的隔离电路原理图。
图4为本发明的光源驱动电路原理图。
图5为本发明的外形结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例的待识别物为黑色橡胶轮胎上黏贴的一维code128码，该条形码采用白色纸质、黑色油墨，长宽为30*7mm；视距为1000mm，视野为400mm，景深达到600mm。虽然本LED光源专为该应用环境设计，但经过大量实践检验，本光源适用于大部分条码视觉检测应用场景。
本发明提出的用于机器视觉***的环形高亮LED光源。电原理如图1所示，包括上位机1、受控开关K1、光源控制器2、隔离电路3和光源驱动电路4。其中受控开关K1在本例中采用光电开关，其可以检测到经过的待识别物而输出相应光电信号。
所述上位机1连接光源控制器2的一个输入端，用于向光源控制器2发送光源开关指令和光源亮度调节指令；所述受控开关K1连接光源控制器2的另一个输入端，用于向光源发送器2发送一个光源开关触发信号（本例中，是光电开关产生的一个光电信号，用来触发LED光源的开或关）。光源控制器2用于产生具有一定占空比的PWM方波，并在上位机1光源亮度调节指令的控制下，调节输出PWM方波的占空比。
本发明可以有两种触发方式。第一种触发方式为：上位机1向光源控制器2发送的光源开关指令为“开通LED光源”，则此时光源控制器2产生默认频率，默认占空比的PWM方波，此时LED光源以默认中等亮度发光，还可以配合上位机1发出的光源亮度调节指令，来产生对应占空比的PWM方波，控制LED光源亮度调节。
第二种触发方式为：在光源控制器2检测到受控开关K1发来的一个光电信号上升沿后，光源控制器2输出默认占空比的PWM方波，此时LED光源以默认中等亮度发光；若上位机1向光源控制器2发出光源亮度调节指令后，光源控制器2输出相对应占空比的PWM方波来调节LED光源亮度。
光源控制器2采用Altera公司Cyclone Ⅱ系列EP2C35F484I8N型FPGA芯片作为控制器的核心。所述FPGA芯片上设有与上位机1通信的串口RS232通信模块，以及可调占空比的PWM方波生成模块。串口RS-232通信模块使得FPGA板卡能够与上位机1通信，上位机1可以通过该通信模块将光源开关指令和光源亮度调节指令发送到PWM方波生成模块。光源控制器2的输入输出信号如图2所示。
隔离电路3的输入端接所述光源控制器2的输出端，输出端接光源驱动电路4的信号输入端；如图3所示，所述隔离电路3包括电阻R101，电阻R101的一端接光源控制器2的输出端，另一端接光电耦合器U101的输入端阳极，U101的输入端阴极接光源控制器2的地；光电耦合器U101的输出端集电极接电阻R102的一端和电阻R103的一端，U101的输出端发射极接光源驱动电路4的地；电阻R102的另一端接供电电压，电阻R103的另一端接NPN三极管Q101的基极，NPN三极管Q101的集电极通过电阻R104接供电电压，发射极接光源驱动电路4的地；NPN三极管Q101的集电极用于连接光源驱动电路4的信号输入端。隔离电路3的作用是将它的输入信号与光源驱动电路4隔离开，防止充放电时电容产生的浪涌电流损坏FPGA板输出引脚。
光源驱动电路4用于驱动LED串。本实施例选用凌特公司LT3756EUD作为电流源主驱动芯片。光源驱动电路4的原理如图4所示。LT3756芯片的PWM管脚接隔离电路3输出端输出的PWM方波信号。
本发明的环形高亮LED光源外形如图5所示，32颗LED灯珠51分两圈布设在一个圆形座52上。32颗LED灯珠中，每16颗串联成一个LED串，两个LED串再并联。

Claims (5)

1. 一种用于机器视觉***的环形高亮LED光源，其特征在于，包括：
上位机(1)、受控开关K1、光源控制器(2)、隔离电路(3)，光源驱动电路(4)，以及LED串；
所述上位机(1)连接光源控制器(2)的一个输入端，用于向光源控制器(2)发送光源开关指令和光源亮度调节指令；
所述受控开关K1连接光源控制器(2)的另一个输入端，用于向光源发送器(2)发送一个光源开关触发信号；
所述光源控制器(2)用于产生具有一定占空比的PWM方波，并在上位机(1)光源亮度调节指令的控制下，调节输出PWM方波的占空比；
所述隔离电路(3)的输入端接所述光源控制器(2)的输出端，输出端接光源驱动电路(4)的信号输入端；
所述光源驱动电路(4)用于驱动LED串。
2.如权利要求1所述的用于机器视觉***的环形高亮LED光源，其特征在于：
所述受控开关K1为光电开关。
3.如权利要求1所述的用于机器视觉***的环形高亮LED光源，其特征在于：
所述光源控制器(2)主要由FPGA芯片构成，所述FPGA芯片上设有与上位机(1)通信的串口通信模块，以及可调占空比的PWM方波生成模块。
4.如权利要求1所述的用于机器视觉***的环形高亮LED光源，其特征在于：
所述隔离电路(3)包括电阻R101，电阻R101的一端接光源控制器(2)的输出端，另一端接光电耦合器U101的输入端阳极，U101的输入端阴极接光源控制器(2)的地；光电耦合器U101的输出端集电极接电阻R102的一端和电阻R103的一端，U101的输出端发射极接光源驱动电路(4)的地；电阻R102的另一端接供电电压，电阻R103的另一端接NPN三极管Q101的基极，NPN三极管Q101的集电极通过电阻R104接供电电压，发射极接光源驱动电路(4)的地；
NPN三极管Q101的集电极用于连接光源驱动电路(4)的信号输入端。
5.如权利要求1所述的用于机器视觉***的环形高亮LED光源，其特征在于：
所述光源驱动电路(4)主要由凌特公司的电流源主驱动芯片LT3756EUD构成。
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