井下侧向环形光源强度控制方法研究与实现★

任阿龙

（西安石油大学，西安710065）

0 引言

井下视频成像测井系统俗称井下电视，它通过摄像机把油井内部的情况拍摄下来，并实时传送，从而准确、直观、清晰地显示井内任何位置的图像，是一种非常重要的测井手段[1]。目前井下视频测井方法普遍采用在测井仪底部放置摄像头，用于观察井底和侧向影像。这种方法可以获得清晰的井底影像。但是，当用于侧向成像时，由于镜头光轴沿井轴方向放置难以得到侧壁的影像，而由于受井径或管径及现有摄像头物距所限，径向放置摄像头是不可能的[2]。因此，一种可以直接采集井下侧向影像的仪器是十分必要的。在井下侧向多镜头成像系统中，井下光源作为系统的前端设备，为图像采集系统提供照明，将直接影响到图像采集结果的优劣。

1 光源设计

出于对测井环境、井口直径以及设计中对光源需要侧向照明等方面的考虑，本文选用LED作为发光光源。它具有发光效率高、耗电量小、使用寿命长、安全可靠性强、易于环保等优点[3]。光源结构采用前照明式的环状光源，同时使用两种波长的光源，从而利用物质的光谱特性，有效避免因为物体对光源的波峰吸收或反射所产生的图像盲点。由于光源需要侧向均匀照明，故采用多个LED组成环状光源。

多个LED作为光源的连接方式主要有并联、串联、混联3种形式。并联方式的优点是当一个LED损坏后不影响其他LED工作，缺点是LED电流及亮度不能自动匹配，对于LED一致性要求较高，而且当一个LED损坏时，其他LED分担的电流会加大，减少LED使用寿命。串联方式的优点是可以保持一致的匹配特性，能提供较好的一致性，缺点是需要更高的供电电压，LED的数量受驱动器的最高电压限制，若是一个LED开路则会引起整个照明系统不能使用。混联方式是目前广泛采用的形式，相对于全部串联提高了系统的可靠性的同时又能保证每一组的发光一致性较好。故本文采用先将多个LED先串联后并联的形式组成电源。拟采用以8颗LED串联为一组，4组并联的连接方式，这样不仅易于实现LED的驱动电路，同时提高了光源的发光一致性。

2 光源控制电路

2.1 光源控制电路实现

光源控制电路的电路图如图1所示。其中，ISL22316是Intersil公司推出的一款基于I2C总线的拥有128个抽头的数字电位器。MAX1698是MAXIM公司推出的LED驱动芯片，是一种专门为驱动LED阵列设计的高效升压式电流调节器芯片。MAX1698是一个开关型升压控制器(需外接一个功率MOSFET开关管)，与一般开关型DC/DC变换器不同之处是:它不是控制输出电压，而是控制输出电流，即它是一种开关型升压式电流调节器，通过它改变输出电流的大小，就能达到控制LED发光强度的目的。

LED的供电电压VBATT是3.3V。MAX1698、L1、Q1、D1及C2组成升压系统，C2是输出电容，同时还可以减小输出纹波，R5为第一串LED电流的反馈电阻，1μF(C3)是MAX1698的输入电容。R5～8决定了流过LED阵列中每串LED的最大电流(即流经LED的最大电流)。稳压二极管D10的功能是在第一串LED中有LED开路时，保护MOSFET Q1及输出电容C2免于损坏。控制核心DSP通过I2C来控制数字电位器ISL22316的电阻值就可以起到调节LED亮度的功能，（也可使LED阵列熄灭）。同时，DSP还要控制MAX1698的开通关闭功能，即在端加高电平时，电路可正常工作；当端加低电平时，电路不工作，耗电量小于1μA。

由于该升压式电流调节器可以自动调节电压来满足要求，因此每串LED的数量多少(即总的正向电压之和)并不影响流过LED的电流。但串接的LED数量越多，造成输出的电压越高，则相应要求外接的MOSFET、C2及D1的耐压也越高。因此采用多排串联LED阵列来增加输出功率(图1中有4排LED串联)，但总的功率不能超过5W。

图1 光源控制电路图

2.2 元件参数计算

2.2.1 反馈电阻R6

R6设定每一串LED的最大电流IMAX。一般LED的典型工作电流为20mA，

根据MAX1698的数据手册，可知，故取 R6 =15Ω。

同时可知，流经LED的电流，通过改变连接到管脚REF和ADJ的数字电阻器的阻值变换，可以改变VADJ的值，从而达到改变ILED的目的，最终实现对LED发光强度的控制。

2.2.2 升压回路电感L

升压回路电感L的直流电阻要求100mΩ以下，以减小损耗。L的典型值取10μH，也可在3.3～100μH之间选取，但电感量过大将降低MAX1698的开关频率，开关频率f与电感L的关系为:，式中VBATT为供给LED的电池电压。

2.2.3 功率MOSFET

外接N沟道功率MOSFET要选用低阈值电压的管子，这是因为栅极驱动电压是来自VCC，并要选RDS(ON)小的管子以减少损耗。VDC(MAX)必须超过输出电压(一般大三四倍较安全)。ID要大于总的LED输出电流。本文选用ST公司的STP60NF03L。

2.2.4 二极管

一般采用肖特基二极管，因为它有快的恢复时间及低的正向压降。选择的二极管反压要大于输出电压，其平均及峰值电流要超过平均输出电流以及峰值电感电流。本文选用MCC公司的MBR0540。

2.2.5 稳压二极管

稳压二极管可以任选，但应注意，稳压二极管为防止第一串中有LED开路和防止MOSFET及输出电容过压损坏而设。故稳压二极管的稳压值至少要大于一个LED串的总正向电压，本文选择15V的稳压二极管。

3 实验与结论

实验结果如表1所示，表1体现出了数字电位器阻值与光源板输入电流的对应关系，输出电流的变化即间接的反映了光源强度的变化。

通过实验验证，本文所设计的井下侧向多镜头环形光源控制电路，在保证光源发光一致性良好的同时完成了光源发光强度的闭环控制，能够满足井下图像采集系统对光源的需求，达到了预期的目标。

表1 数字电位器阻值与光源板输入电流对应表

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