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合,，導致光輻射功率下降,，因此成為影響LED 進入普通照明領域的關鍵，是迫切需要解決的問題,。如何測量LED 的結溫,，已經(jīng)有了很多相關報道，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,，通過測量恒定工作電流下的電壓來確定結溫，正向電壓愈小,，結溫愈高且基本呈線性關系,。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)總體設計
2.1 硬件設計
LED 結溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)是把非電壓信號轉化為電壓信號,，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,。可以通過軟件對相應的通道進行配置,，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)，結電壓的變化只取決于結溫的變化,。
2.4 LED 工作電壓采集及結溫的換算
根據(jù)正向電壓法原理,，由其他實驗得到本實驗中LED 的結溫Tj 與電壓Vj 之間的關系式為：
式中Vj 為LED 結電壓（mv）；Tj 為結溫（℃）,。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)關系式為：
3．系統(tǒng)軟件設計
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用于儀器控制,、自動化測試,、數(shù)據(jù)分析處理等領域的編程平臺,。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,，把信號轉換為相應的數(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 程序應用平鋪式順序結構進行編程,，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
第一幀應用定時循環(huán)及條件結構進行編程，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,。
（1）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)的設置,。
（2）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溫和光照度信號的轉換,。
?。?）實時顯示模塊子VI 主要由電流、結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,。
（4）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,?；胤艛?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；在采集結束后可以得到與時間相對應的數(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束的控制，并且可以按照需要設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)；結束采集時,先確定采集結束,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
基于 LabVIEW 開發(fā)的LED 結溫與光衰監(jiān)測系統(tǒng)，對LED 的電壓和電流進行實測的結果與萬用表測量結果吻合,，光照度的系統(tǒng)測試結果也與照度計測量結果吻合,。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,。軟件與計算機的結合,，滿足了特定應用范圍內(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。與筆記本電腦的結合,，還適用于室外不同場合的需要,，有著很好的應用前景。