一种智能LED助航灯的设计

张玉杰 刘 蕴

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

目前，机场助航灯光的光源大部分采用白炽灯和卤钨灯，存在寿命短、易损坏、功耗大、效率低等缺点。机场助航灯光回路采用串联高压供电方式，调光器电路复杂、故障率高，一旦出现故障，整个回路均无法工作。大功率LED照明应用于助航灯还存在因LED过热引起的LED击穿、失效、光衰、色衰等问题以及可靠性低、光输出稳定差的技术缺陷。由于助航灯高度分散，出现故障后无法及时发现和维修，需要人员现场巡查才能发现和排除故障［1］。

针对以上问题，本文提出了一种智能LED助航灯的设计方案。LED光源具有抗震性好、寿命长、高效节能和热辐射小等特点［2］，能够满足机场助航灯要求。因此，LED光源在机场空侧助航领域具有广阔的应用前景。本系统采用发光LED冗余设计，实现了灯具的自诊断、自调节、多路恒流控制、动态电压调节功能;灯具网络化，确保了灯具的工作效率;系统自动监测能实时发现故障并报警，可在线更换并迅速排除故障;亮度实时监测和控制，确保助航灯的亮度恒定输出。

1 灯光站系统结构

灯光站由主控计算机、多个灯光控制器、电源监视和切换模块以及发电机控制模块等构成。灯光站系统结构如图1所示。

图1 灯光站系统结构图Fig.1 The structure of light station system

灯光控制器通过双冗余CAN总线接收主控计算机下达的控制命令并执行，反馈当前LED灯具运行状态，同时上传各种测量数据。LED助航灯灯具通过电力载波通信接口接收灯光控制器发送的控制命令，并对控制命令进行解析，实现LED助航灯的亮度调节。同时，LED助航灯灯具向灯光控制器反馈LED助航灯的运行状态以及电流、电压、温度、亮度等工作参数，及时监测当前灯具的故障状态并发出报警信号。

2 LED助航灯灯具电路设计

作为一个智能化的设备，LED助航灯灯具不仅是发光源，同时也是光源的控制器。LED灯具电路分为LED驱动电路和灯具控制电路两部分。

LED灯具控制与驱动电路以32位闪存的嵌入式微控制器 STM32F107为核心。STM32F107以 ARM Cortex-M3为内核，具有72 MHz运行频率、64～256 kB Flash和高达64 kB的SRAM。其标准外设包括10个定时器、2个12 bit ADC转换器、2个 I2C接口、5个USART接口、3个SPI端口和两路CAN2.0B接口。

灯具控制电路包括LED电压检测电路、电流检测电路、LED光板温度检测反馈电路、LED发光亮度检测电路、控制LED发光亮度的PWM电路、与灯光控制器实时通信的电力载波接口电路以及故障反馈电路。LED驱动电路包括带功率因数校正PFC的AC/DC转换电路、DC-DC转换电路以及恒流驱动电路。

2.1 电力载波通信

电力线载波技术利用电力线传输数据，为实现远程数据的采集和传输提供了极大的便利［3］。电力载波通信模块采用北京晓成公司生产的高性能低压专用电力载波通信芯片PL2101。该芯片是一个新型直序扩频半双工调制解调器，抗干扰能力强。它由单一的+5 V电压供电，与微控制器的接口简单，载频为120 kHz，带宽为 15 kHz，传输速率为 500 bit/s，接收灵敏度高达30 μV。PL2101还具有上电复位、电压检测电路、32 B SRAM、看门狗定时、编程实时时钟等附属功能电路。

LED助航灯通过电力载波通信接口实现和灯光控制器的通信，接收灯光控制器的指令，控制LED的开关、亮度和色彩;同时把LED的工作状态和电压、电流、温度、亮度等工作参数上传到灯光控制器。电力载波不仅现场施工方便，而且也进一步降低了助航灯控制系统成本。

2.2 LED恒流驱动电路

LED恒流驱动电路包括带功率因数校正电路PFC的AC/DC转换电路、DC-DC转换电路以及恒流源驱动电路。LED恒流驱动电路如图2所示。

图2 LED恒流驱动电路图Fig.2 The circuit of LED constant current driver

LED驱动器选用NS公司的大功率LM3464驱动器。LM3464具有动态电压调整功能并拥有4条独立的稳流器通道，可以最大化提高系统效率。每条通道可驱动多达20个LED。LM3464设计精简、开发成本低，符合本系统的设计要求。

LM3464通过PWM调节接口DIM接收微控制器的PWM控制信号，从而控制引脚GD1～GD4的输出，达到4通道恒电流输出的目的，实现LED的亮度调节。

2.3 动态电压调整控制

LED照明只能采用直流供电［4］。带功率因数校正电路PFC的AC/DC转换电路及DC-DC转换电路将市电220 V的交流电转换为直流电，LM3464配备外部稳压器接口 Outp，交流电变直流电的输出电压由LM3464直接控制。LM3464可通过DR1～DR4引脚检测各LED灯串电压，从而控制Outp引脚的输出，并使交流电变直流电的输出电压在满足所要求电流值的情况下达到最小值，从而实现动态电压调整控制DHC功能，系统效率可提高到95%以上。

2.4 恒亮度控制

亮度检测模块采用光传感器ISL29004。ISL29004是新一代光-数字传感器，集成了电流放大器［5］，能将光照度转化成16位I2C标准数字输出信号，内含16位ADC、8个8位寄存器、4个只读数据寄存器、2个 I2C接口地址选择引脚A0、A1。

每个恒流源对应一组LED光板，微控制器通过亮度检测电路获得每组LED助航灯输出的亮度，利用PWM控制恒流源输出恒定电流，达到不同等级下的恒亮度控制的目的，确保同一灯光站的LED助航灯输出光度的一致性和恒定性。

2.5 故障检测

当某串联LED因出现开路而发生故障时，动态电压调整控制环路会被误导，以致通过提高DC-DC电源输出电压作出补救，从而增加功率损耗。

恒流源控制器LM3464分别通过引脚SE1～SE4和DR1～DR4实时监测各LED灯串电流和电压，以及时发现以上故障，并关闭故障通道，将故障通道与动态电压调整环路隔离。同时，LM3464通过引脚Faultb将故障信号反馈给微控制器，通过电力载波接口向灯光控制器上传故障信息及报警信号。

2.6 后备恒流源设计

为提高系统的可靠性，LED驱动电路采用了多路恒流控制［6］，LED实行串并结合的方案，增设后备恒流源和LED光板。当有一个LED因开路或短路失效而造成亮度下降时，微控制器将通过故障反馈电路获得故障信号。当主恒流源无法通过增加电流来提高亮度时，系统启动后备恒流源，微控制器通过PWM控制后备LED光板，确保LED助航灯的恒亮度输出，从而达到在线更换、迅速排除故障的目的。

2.7 过热保护

温度传感器采用精度高、功耗低的LM35芯片，其最大测温范围为－55～150℃，测温精度为0.5 K。LM35的输出信号是与温度成正比的电压信号(10 mV/℃)。微控制器实时监测LED光板的温度，当温度超过预设温度阈值时，微控制器通过调节PWM控制信号减小LM3464的恒定输出电流，避免LED过热受损;若温度继续上升，则电流进一步降低，直至达到预设的最低照明亮度输出。此时，系统启动后备恒流源，弥补亮度损失。

3 灯具控制软件设计

灯具控制软件采用了 μC/OS-II的操作系统。μC/OS-II是一个免费的、源码完全公开的、可移植、可固化、可裁剪的占先式实时多任务操作系统。与其他操作系统相同，μC/OS-II也是从main()函数开始执行，完成操作系统的初始化、任务创建并启动任务;同时，它还可以再添加部分与操作系统无关的工作［7－10］。灯具控制系统主要分为5个任务，这5个任务均由main()任务创建。灯具控制软件框架如图3所示。各任务的主要功能如下。

图3 灯具控制软件框架Fig.3 The software framework for lamps control

①电力载波通信服务任务TASK0，主要负责将灯光控制器的控制命令下达给每个灯具，并将灯具的工作状态及工作参数上传至灯光控制器。

②系统输出服务任务TASK1，主要负责PWM控制信号的输出，以至于控制恒流源输出恒定电流，进而实现LED亮度的调节。

③动态监测管理任务TASK2，每隔15 s对LED的电压、电流、亮度、LED光板温度进行实时采集，并完成对数据的存储管理。

④故障处理服务任务TASK3，主要完成当LED出现故障，启动后备恒流源的工作。

⑤实时时钟刷新任务TASK4，主要完成实时时钟变量Time_Flag的刷新工作。

灯具控制系统的操作系统通过管理上述5个任务实现系统的各项功能。试验表明，系统的实时性好、稳定性高、可靠性强。

4 结束语

本文以STM32F107为核心处理器，设计了一种LED助航灯及控制系统。该系统能够有效解决助航灯效率低、可靠性差、稳定性不佳、故障监测不便等问题。大量试验结果表明，助航灯光电源稳定、可靠性强、效率高、操作灵活方便、实时性好。在实际机场的应用中，该系统能满足助航灯光故障检测与自诊断、自调节的功能要求。

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