基于.NET平台的LED光电参数测量系统设计与实现.doc

基于.NET平台的LED光电参数测量系统 设计与实现吴蝶刘雪红许文祥张恒波武汉理工大学机电工程学院湖北省数字制造重点实 验室摘要：提高LED的光学和电学参数的测量精度与效率对于确保LED的产品质量、满足市 场需求具有重要的意义根据企业中LED的实际生产情况，给出了一种基于.NET 平台的LED/板上芯片(COB)光电参数快速测量系统的软硬件设计方案该系统 通过可替换结构实现LED/COB多规格测量;通过与上层生产过程执行系统(MES) 系统或企业资源规划(ERP)系统数据交互实现测量;通过设备各个独立运 动部件的协同配合实现快速测量;通过光谱仪中线性电荷耦合元件(CCD)各个 像素与LED波长的对应关系，实现了全光谱同时测量;通过对测量数据的处理， 实现了基于LED光电和色度参数的自动分选实验验证结果表明，系统能够有效 提高LED光电参数测量的精度与效率关键词：发光二极管(LED) ; .NET;测量系统;参数;测量;作者简介：吴蝶(1990-),男，湖南岳阳人，硕士研究生，主要研究方向为计 算机测控技术、制造系统集成及信息化；作者简介：刘雪红(1972—),女，湖北武汉人，副教授，硕士生导师，研究方 向为制造系统集成及信息化；收稿日期：2017-07-12基金：国家重点研发计划战略性先进电子材料专项(2017YFB0404204)Design and Implementation of the Testing System for LEDOptoelectronic Parameters Based on . NET PlatformWu Rong Liu Xuehong Xu Wenxiang Zhang HengboHubei Digital Manufacturing Key Laboratory,School of Mechanical and Electronic, WuhanUniversity of Technology;Abstract：It is great significance to improve the measurement accuracy and efficiency of LED opto elec tro nic parameters for prom oting the qual ity of LED products and meeting market demands .According to the LED，s actual producting conditions in the enterprise, a hardware and software design scheme for fas t testing sys tem of LED/chip on board ( COB) photo electric parameters based on. NET platform were presented. LED/COBmulti-specification measurement was realized with replaceable structure in the system・ Online measurement was realized through data interaction with the manufacturing execution system ( MES) or enterprise resource planning system ( ERP) .Fast measurement was realized through the coordination and cooperation of individual moving parts of the equipment. Full spectrum simultaneously measurement was realized by the corresponding relationship between the various pixels of the linear CCD in the spec trome ter and the LED wave 1 eng th. Automatic sor tin£ was realized based on optoelectronic and color imetric parameters by the processing of the measurement data of the LEDs. The test resuIts show that the system can effectively improve the measurement efficiency and accuracy of LED optoelectronic parameters・Keyword：light-emitting diode (LED);・ NET; testing system; parameter; on-line measurement;Received： 2017-07-120引言 发光二极管(LED)以其高效、节能、环保、安全等特点，被誉为是“21世纪最 具发展前景的高技术领域之一”皿。

LED既是发光光源又是半导体器件，在其 整个产品生命周期中，它的光学、电学参数如光强、波长、色度坐标以及正反向 电压等都是衡量其产品质量的重要指标因此 在LED的生产过程中快速、精确 地测量这些参数显得尤为重要図国际照明委员会(以下简称CIE)鉴于LED在科学研究与工农业应用中的广泛作 用以及世界范围内各国对LED各项参数的测量方式存在较大差异，1997年起草 并制定了 LED测量标准宜，以促进LED产业的良好发展随着LED技术的发展、 大功率LED的普及应用以及白光等多色彩LED的出现，现有的LED测试技术与标 准已经无法满足市场与企业的发展需求，2007年CIE根据这些变化制定并推荐 了新标准A. A. Gaertner固研究了 LED光强的几何量和总光通量的规格及测 量方法P. Blanco等人凹提出了一种从LED光学模型直接测量LED的方法杨 松涛等人也研究和分析了基于虚拟仪器平台的参数测试系统，该系统能够较好 地实现多参数的综合测试，潘建根等人宜分析了 LED光谱功率分布和波长测量 的不确定度对颜色测量的影响周圣军等人型利用Lab VIEW作为开发平台对 LED的光电参数进行了测量。

虽然近些年来，自动化的LED光电参数测量设备不断被各大生产企业投入使用， 并且其自动化程度和测量精度不断提升，但是这些设备大部分是作离线测量或 者测量，成本较高离线测量设备虽然测量精度高，但其产能不足每小时2 000片，单台设备无法满足企业正常生产需求，而测量设备在排除成本因 素外，虽然产能足够，但其测量精度较低针对这一问题，本文提出了一种基 于.NET平台的LED光电参数测量系统1系统总体设计系统内部软硬件之间通过基于RS-232的串口通信的方式实现上位机与下位机的 连接，可靠性高且能实现数据远距离传输软件是基于.NET平台开发的C#窗体 应用程序，主要由参数的输入与输出、光电参数测量、数据自动校准、数据处理 和自动分选等功能组成硬件部分主要包括上料平台、测量平台和分选平台等 系统外部可以通过网络接口将产品信息实时上传至上层生产过程执行系统(MES) 系统或企业资源规划(ERP)系统为生产管理人员以及决策人员提供数据依据， 实现测量功能系统的原理就是将用户预先设定的各项参数通过串口发送给 下位机，然后由下位机依次完成被测器件的图像识别、运动控制、参数测量与产 品分选等过程，并将测量结果返回给上位机进行数据处理与输出o系统三个平台 各自具有独立的电动与气动系统，通过10信号与上位机进行数据交换，由上位 机即时调整不同平台的运动参数，实现不同平台最大效率的协同运动，具有快 速测量的优点;系统可通过对硬件部分的改装或快速更换实现对不同规格的LED 芯片、极上芯片(COB)、灯丝产品的测量，具有高兼容性的优点;系统可以在硬 件预留位置增加条码扫描仪、微电流电源、加热装置，实现COB条码扫描、微点 亮、加热等扩展功能，具有可扩展的优点。

测量系统总体设计与软件界面如图1 和图2所示图1测量系统总体设计原理框图Fig. 1 Overall Design principle blook diagram of the measurement system 下载原图图 2 LED 参数测量系统主界面图 Fig. 2 Main form of the parameter measurement system for LED 下载原图2系统软件设计2.1电学参数测量LED材料体积小、制造工序多，影响LED产品质量的因素也较多，如点胶与焊线 工序会对LED电学性能造成重要影响因此，对LED进行电学参数的测量是保证 产品质量与可靠性的必要手段LED的主要电学参数包括正向工作电压Vf、正向 工作电流If和反向漏电流Ir等本系统采用外接恒流可调程控电源，对电源设 置测量参数，开始供电后每过固定的时间间隔对产品进行电学参数测量并将测 量结果反馈给上位机上位机接收到测量数据后与前一次接收的数据进行对比， 判断电源是否稳流当最后两次测量数据的差值小于0.01%时判定电源稳流、数 据有效，上位机输出测量结果;若连续30次的测量数据差值都不满足稳流条件， 则判定电参数异常。

具体测量流程如图3所示图 3 LED 电学参数测量流程图 Fig. 3 Flow chart of electrical parameters measurement for LED 下载原图2. 2光学参数测量LED产品的光参数主要包括色度参数中的光谱功率分布曲线、色度坐标和相关色 温，光度参数中的光通量、光强度、光照度和光亮度等光学参数的测量原理是 将LED光源发射的复合光通过光谱测试仪的入射狭缝投射到准直镜面上，由准 直镜面将入射光变为平行光后以不同的角度衍射到光栅上面，光栅按照波长将 射入光色散后把复合光分解为单色光，分解后的单色光通过反射镜按照波长不 同而投射到线阵电荷耦合元件(CCD)各个像素上面，最后通过线性CCD各个像 素与LED波长的对应关系，采用曲线拟合的方法计算后可得相对光谱功率分布 函数P (X)在实际生产过程中，LED发射的光会先经过积分球的漫反射后再 通过光纤射入到光谱测试仪中的入射狭缝中，使用积分球的目的是为了减小由 于入射光源分布不均匀以及光束偏移所造成的误差，提高测量的精确度光参数 测量原理如图4所示图 4 LED 光学参数测量原理图 Fig. 4 Schematic diagram of optical parameters measurement for LED 下载原图2. 3参数计算测量系统测量的电学参数直接由程控电源反馈给上位机，但光学参数需要根据 线性CCD上各个像素的输出电压计算光谱功率分布函数P （入），然后按 CIE1931-XYZ系统规定求得三刺激值X, Y, Z分别为卫1式中积分范围为380~780 nm, P （入）为光源相对光谱功率分布函数，入为波长,分别为CIE规定的标准观察者光谱三刺激值曲线函数，K为调整系数，其 计算公式为通过式（1）可得色度坐标x, y, z根据色度坐标（x, y）以及CIE色度图（图5所示）可进一步求得主波长值，图 5中坐标轴x, y的值表示与颜色相关的相对量值。

计算主波长值的方法有作图 法和查表法两种作图法就是将LED色度坐标与色度图中的等能白点（0. 333 3, 0. 。