1．引言
白光LED 固體光源具有傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)勢：節(jié)能,、環(huán)保、長壽命,、安全可靠等,，成為未來照明的趨勢。但LED 的PN 結(jié)溫度對LED 的性能有著重要的影響,，會引起色溫變化,、波長紅移、正向壓降等,，同時影響電子和空穴的非輻射再結(jié)合,，導(dǎo)致光輻射功率下降，因此成為影響LED 進入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵,，是迫切需要解決的問題,。如何測量LED 的結(jié)溫，已經(jīng)有了很多相關(guān)報道,，比如正向電壓法,、管腳法、藍白比法等等[2],。目前常用的是正向電壓法,，它是利用LED 電輸運的溫度效應(yīng)，通過測量恒定工作電流下的電壓來確定結(jié)溫,，正向電壓愈小,，結(jié)溫愈高且基本呈線性關(guān)系。本系統(tǒng)基于LabVIEW 圖形化軟件平臺而開發(fā)的一種虛擬儀器,，目的是在LED 恒定電流工作過程中,，通過實時監(jiān)測正向工作電壓而實現(xiàn)對結(jié)溫的間接測量,，同時監(jiān)測LED 發(fā)光強度變化，即通過光照度的變化監(jiān)測LED 照明燈的光衰,。
2．系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1 硬件設(shè)計
LED 結(jié)溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)是把非電壓信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,，經(jīng)采集卡采集后由計算機讀取、處理,、顯示,、存儲。硬件設(shè)計部分由驅(qū)動電路,、照度計探頭,、數(shù)據(jù)采集卡、計算機組成,。其中驅(qū)動電路不在系統(tǒng)設(shè)計范圍內(nèi),，是被測量對象。系統(tǒng)信號采集示意圖見圖1
圖1 系統(tǒng)信號采集示意圖
本示意圖中電路采用的是電容降壓 LED 驅(qū)動電路,，具有很好的恒流作用,。負載為同一批次、物理參數(shù)基本相同的18 只小功率LED,。所有信號由采集卡采集,，通過USB 接口與計算機連接，然后由應(yīng)用程序完成對采集卡的控制和數(shù)據(jù)記錄與分析,。利用計算機使系統(tǒng)軟件和采集硬件結(jié)合,，就可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、記錄,、波形顯示,，多路信號的同時采集且生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格。
2.2 數(shù)據(jù)采集卡
本系統(tǒng)采用的是由美國NI 公司的USB-6009 型號的多功能數(shù)據(jù)采集卡,，其最高采集速率為48kS/s,，8 路模擬輸入通道，14 位分辨率,，12 條數(shù)字I/O 線,，2 路模擬輸出，以及1個計數(shù)器,。為了得到更精確的采集數(shù)據(jù),，避免外界干擾，本系統(tǒng)采用差分式的方式進行電壓采集,。由六個輸入接口形成三個采集通道,，同時對三個電壓信號采集?？梢酝ㄟ^軟件對相應(yīng)的通道進行配置,，如：采樣頻率,、電壓采集范圍等。
2.3 工作電流的采集
由于采集卡的信號輸入是電壓信號,，在LED 電路中串聯(lián)一個電阻,，通過采集電阻上的壓降，換算出電流,。這里采用0.1 Ω 小電阻,，可忽略對系統(tǒng)的影響。監(jiān)測工作電流的目的是為了直接觀測到LED 燈工作于恒流狀態(tài),，結(jié)電壓的變化只取決于結(jié)溫的變化,。
2.4 LED 工作電壓采集及結(jié)溫的換算
根據(jù)正向電壓法原理，由其他實驗得到本實驗中LED 的結(jié)溫Tj 與電壓Vj 之間的關(guān)系式為：
式中Vj 為LED 結(jié)電壓（mv）,；Tj 為結(jié)溫（℃）,。在18 只LED 中任意選取5 只LED，測量兩端電壓求平均值即得到單只LED 工作電壓,。采集的電壓信號到結(jié)溫溫度值的標度變換由LabVIEW 程序來實現(xiàn),，標度變換公式為（1）式。
2.5 光照度的采集
由于光照度與發(fā)光強度之間的光度學關(guān)系式[3]E＝I/R2,，在軸向定距監(jiān)測LED 光照度的變化,，即監(jiān)測LED 光強變化。利用采集卡采集照度計探頭的電壓信號,，通過光照度同電壓的函數(shù)關(guān)系由LabVIEW 換算得到光照度。通過實驗及曲線擬合,，得出光照度E（lx）與照度計探頭輸出電壓V（mv)的函數(shù)關(guān)系式為：
3．系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)以LabVIEW程序作為控制軟件,。LabVIEW程序是目前國際廣泛應(yīng)用于儀器控制、自動化測試,、數(shù)據(jù)分析處理等領(lǐng)域的編程平臺,。它是基于圖形化的程序語言G的開發(fā)軟件，使用這種語言編程時,，基本上不寫程序代碼,，取而代之的是流程圖。LabVIEW程序?qū)⒂嬎銠C與采集卡結(jié)合,，控制采集卡采集電壓模擬信號,，并對信號進行分析處理，把信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)后,，以文本形式在計算機中儲存和以多種形式在前面板上顯示,。
3.1 程序框圖
LabVIEW 程序應(yīng)用平鋪式順序結(jié)構(gòu)進行編程，分為兩幀,。第一幀實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,、記錄和實時顯示,，如圖2。第二幀實現(xiàn)光照度波形回放和各個數(shù)據(jù)最大最小運算,，如圖3,。
圖2 第一幀程序框圖
圖3 第二幀程序框圖
第一幀應(yīng)用定時循環(huán)及條件結(jié)構(gòu)進行編程，主要由數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)換算模塊,、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊四部分組成。
?。?）數(shù)據(jù)采集由子VI 采集助手完成,，并控制采集卡，為整個程序提供數(shù)據(jù)源,。主要包括：
初始化數(shù)據(jù)采集卡,、啟動數(shù)據(jù)采集、暫停采集,、停止采集等,，其中初始化采集卡完成參數(shù)的設(shè)置。
?。?）數(shù)據(jù)換算模塊子VI 主要實現(xiàn)對采集到的電壓模擬信號分別向結(jié)溫和光照度信號的轉(zhuǎn)換,。
（3）實時顯示模塊子VI 主要由電流,、結(jié)溫和光照度三個波形圖表組成,，顯示方式有圖形顯示和數(shù)值顯示。
?。?）數(shù)據(jù)存儲模塊子VI 在指定目錄下創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄文件,，將處理后的數(shù)據(jù)寫入文件并保存，寫入模式設(shè)置為：本次的采集數(shù)據(jù)會自動寫在上次數(shù)據(jù)的后面,，而不覆蓋,。數(shù)據(jù)以字符串形式保存，并生成以時間為序的電子表格文件,，以便進行后續(xù)的數(shù)據(jù)和過程描述,。
第二幀主要是數(shù)據(jù)回放調(diào)用模塊子VI，選取了對光照度變化曲線的回放,，同時實現(xiàn)各個采集數(shù)據(jù)最大值和最小值的計算,。回放數(shù)據(jù)的直接來源是讀取上一幀程序所保存的文件,，當用戶需要對數(shù)據(jù)進行分析處理時,，可以離線狀態(tài)下重新調(diào)用數(shù)據(jù)。
3.2 虛擬儀器前面板
如圖4 所示,，前面板主要由電流,、結(jié)溫,、光照度三個顯示窗口，一個數(shù)據(jù)列表窗口和一個光照度變化回放窗口以及控制欄組成,。采集過程中,，在顯示窗口可以看到實時的監(jiān)測信號；在采集結(jié)束后可以得到與時間相對應(yīng)的數(shù)據(jù)列表,，同時光照度變化曲線在光照度變化回放窗口內(nèi)顯示,；在控制欄中，主要就是對采集開始和結(jié)束的控制,，并且可以按照需要設(shè)置采樣周期和采樣電阻,。采集過程中可以暫停采集，同時顯示單次采集次數(shù)與采集總次數(shù),；結(jié)束采集時,先確定采集結(jié)束,再退出系統(tǒng),，此時即可看到光照度變化波形。
圖4 虛擬儀器前面板
4．小結(jié)
基于 LabVIEW 開發(fā)的LED 結(jié)溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng),，對LED 的電壓和電流進行實測的結(jié)果與萬用表測量結(jié)果吻合,，光照度的系統(tǒng)測試結(jié)果也與照度計測量結(jié)果吻合。與其他測量方式相比,，本系統(tǒng)有著實時記錄,、實時顯示、實時觀測等諸多的優(yōu)越性,。
實測結(jié)果表明,，整個系統(tǒng)簡單實用，高精度,，高靈敏度,，通用性強，界面友好,，數(shù)據(jù)存儲方便，性能穩(wěn)定可靠,，且成本低廉,。在LED 結(jié)溫與光照度即光衰減監(jiān)測中，可以長時間,、長周期地運行本系統(tǒng),，且提供了非連續(xù)測量。結(jié)溫與光照度數(shù)據(jù)實時數(shù)值顯示,，同時圖形顯示波開可以直觀地看到變化趨勢,。軟件與計算機的結(jié)合，滿足了特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要,。本系統(tǒng)還有很強的擴展性,，可以增加監(jiān)測LED 燈的其它技術(shù)指標,，如LED 功率等光學參數(shù)和電學參數(shù)等。與筆記本電腦的結(jié)合,，還適用于室外不同場合的需要,，有著很好的應(yīng)用前景。