一种单点连续扫描的低功耗宽光谱LED光源及发光方法与流程

本发明涉及一种led光源，特别涉及一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源及发光方法。

背景技术：

海水吸光度是能够反映海水中组成成分的重要参数，海水对不同波长的吸收可以反映出海水中浮游动植物、固体悬浮物、溶解物质等的浓度和种类的信息。这些信息对海洋监测、海洋牧场建设、海洋卫星遥感、海洋航行和国防安全均有着重要的意义。

海水吸光度传感器是海水吸光度检测的常用设备，结构紧凑的小型光源是海水吸光度传感器的关键部件之一，其功耗、光谱宽度及单位波长功率直接决定了海水吸光度传感器的性能和探测效率。

现有小型光源主要分为三大种类。第一种光源功耗低、单位波长功率大，但输出光谱窄，该种类型光源的输出光谱半高全宽可以做到2nm甚至更低，单位波长功率在0.1mw/nm数量级，但最大光谱宽度不超过50nm，过窄的光谱宽度使其不能作为宽谱光源使用，该种光源以oceanoptics的lsm系列光源中的单波长led光源为代表。第二种是功耗低、光谱范围宽，但单位波长功率小的光源，该种类型光源光谱输出总功率与其他类型光源处于同一量级，但较宽的光谱使得在每个波长上分得的功率降低，该种光源以oceanoptics的hl-2000系列宽谱卤素光源为代表，该系列光源光谱宽度为2040nm，最大光谱输出总功率为8.8mw，平均单位波长功率为0.0043mw/nm，其供电需求为15w。第三种是输出光谱范围宽、单位波长功率大，但功耗高的光源，该种光源以北京鼎信优威光子科技有限公司的eq系列宽谱光源为代表，该系列光源光谱宽度为1930nm，单位波长功率高达0.060mw/nm，但其140w的功耗对能源供给要求较高。综上所述，现有小型光源普遍存在功耗高、光谱范围窄、单位波长功率小的缺点。

为克服上述缺点，本发明提出了一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源及发光方法，实现海水吸光度传感器光源及整体性能的提升，便于在小型浮标/潜标、水下滑翔机等能源供给受限的海洋监测平台上应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源及发光方法，以达到功耗低、光谱范围宽、单位波长功率大的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源，包括外壳，所述外壳内设有led驱动及控制电路板，所述led驱动及控制电路板上设置微控制器，所述微控制器通过电刷与led灯盘连接，所述led灯盘上沿圆周方向分布有多个波长范围不同的led灯，所述led驱动及控制电路板通过电动机驱动板与电动机连接，所述电动机通过马耳他十字机芯与主动轮一连接，所述主动轮一与从动轮一齿轮啮合，所述led灯盘固定于从动轮一上；所述外壳上与led灯盘对应的一侧开设通光孔，另一侧设置外部接口，led驱动及控制电路板通过外部接口与上位机连接。

上述方案中，所述led灯盘上设置有与led灯连接的译码及led驱动电路，所述led灯盘中心设置有与译码及led驱动电路连接的接线端口，所述从动轮一和led灯盘上开设可供排线穿过的弧形孔，所述电刷通过排线与接线端口连接。

上述方案中，所述排线一端通过接线端口与所述译码及led驱动电路连接，另一端穿过所述弧形孔与所述电刷的转子连接，电刷的定子与微控制器相连。

上述方案中，所述马耳他十字机芯包括与电动机输出轴相连的主动轮二，和与主动轮一同轴固定的从动轮二，所述主动轮二上开设弧形缺口的角度为83°。

上述方案中，所述led灯设置有12个，按中心波长大小顺序沿圆周均匀分布于led灯盘上。

上述方案中，所述主动轮一与从动轮一的半径比为1:2。

上述方案中，所述主动轮一与从动轮一为渐开线齿形的齿轮。

上述方案中，所述通光孔设置1个。

上述方案中，12个所述led灯的波长范围分别为：382.5-397.5nm、392.5-407.5nm、402.5-417.5nm、410.0-430.0nm、422.5-437.5nm、427.5-452.5nm，447.5-472.5nm、467.5-492.5nm、472.5-502.5nm、486.0-514.0nm、502.5-537.5nm、532.5-547.5nm。

一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源的发光方法，包括如下过程：

(1)启动过程：接通外部电源，led驱动及控制电路板上的微控制器启动并开始初始化，确保在启动时led灯是关闭的，电动机是停转的；之后，微控制器会读取上一次关闭时保存的马耳他十字机芯的角度信息、当前动作周期所对应的led灯编码信息，并对各个变量赋初值或进行数值修正，然后微控制器给电动机供电；

(2)工作循环过程：电动机提供动力带动马耳他十字机芯工作，马耳他十字机芯通过主动轮一带动从动轮一转动，从而带动led灯盘转动，微控制器通过监控电动机转动情况确定马耳他十字机芯的转动情况，从而控制当前动作周期对应的led灯，当led灯盘处于马耳他十字机芯动作周期的停止部分时，点亮当前动作周期正对通光孔的led灯；当led灯盘处于马耳他十字机芯动作周期的旋转部分时，熄灭上一个周期正对通光孔的led灯，如此循环；

(3)关闭过程：微控制器关闭电动机供电及led灯盘的供电，并持续监控断电过程中led灯盘的转动情况，待机械结构停止动作后，微控制器保存当前正对通光孔的led灯编码信息和马耳他十字机芯的角度信息，然后微控制器处于待机状态，等待从外部接口接收启动指令或等待外部接口切断电源。

通过上述技术方案，本发明提供的一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源通过电动机带动马耳他十字机芯转动，马耳他十字机芯每两次动作之间会有一定的时间间隔，每次动作包含转动和停留两部分，每次led灯盘转动时，当前led灯盘上对准通光孔的led灯熄灭，同时顺转动方向移走，后一盏led灯即预备位led灯被准确移动到位，对准通光孔并点亮。

本发明提出的一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源及发光方法，通过采用小型低功耗的电动机及元件，并将多盏led灯环形排列进行单点顺序循环扫描的方法，有效降低了光源的功耗，拓宽了光源输出光谱覆盖的范围。同时若本发明所提供实施例中光谱的波长和范围不能满足使用需求，可在设计中通过增加或减少led灯的数量和型号进行调整。另外，由于led灯的电-光转换效率高，每盏led灯在其负责的光谱范围内都可输出较大的单位波长功率。与现有小型光源相比本发明，同时具备了功耗低、光谱范围宽、单位波长输出功率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源侧面示意图；

图2为本发明实施例所公开的机械传动部分示意图；

图3为本发明实施例所公开的led灯盘示意图；

图4为本发明电路信息流向示意图。

图中，1、外壳；2、led驱动及控制电路板；3、电刷；4、led灯盘；5、led灯；6、电动机驱动板；7、电动机；8、通光孔；9、外部接口；10、马耳他十字机芯；11、主动轮一；12、从动轮一；13、接线端口；14、排线；15、弧形孔；16、主动轮二；17、从动轮二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源，如图1所示，该光源功耗低、光谱范围宽、单位波长功率大。

如图1所示的一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源，包括外壳1，外壳1内设有led驱动及控制电路板2，led驱动及控制电路板2上设置微控制器，微控制器通过电刷3与led灯盘4连接，led灯盘4上沿圆周方向均匀分布有12个led灯5。为了实现led灯盘4上的led灯5可循环点亮接受外界控制，本发明选用了电刷3作为媒介连接旋转的led灯盘4和固定不动的led驱动及控制电路板2。led灯5的输出光谱宽度为382.5-547.5nm，按中心波长由小到大排列编号为d1-d12的12个led灯的波长范围分别为：382.5-397.5nm、392.5-407.5nm、402.5-417.5nm、410.0-430.0nm、422.5-437.5nm、427.5-452.5nm，447.5-472.5nm、467.5-492.5nm、472.5-502.5nm、486.0-514.0nm、502.5-537.5nm、532.5-547.5nm，故光源的光谱输出范围为382.5-547.5nm。编号为d1-d12的12个led灯的带宽最大为35nm，最小为15nm，平均单位波长功率最大为1mw/nm，最小为0.13mw/nm，达到了窄带光源才有的0.1mw/nm量级的大单位波长功率。

如图4所示，led驱动及控制电路板2通过电动机驱动板6与电动机7连接，以提供电动机7转动所需电力和实现led驱动及控制电路板2对电动机7的控制，led控制及驱动电路板2与电动机驱动板6的连接方式为电路接口拔插连接或使用排线连接。电动机驱动板6上有电动机驱动电路，用于给电动机供电。led驱动及控制电路板2上安装有微控制器，微控制器根据从电动机驱动板6获取到的机械动作信息控制led灯盘4上led灯5的亮灭。led灯盘4和led驱动及控制电路板2在本发明所提供的示例中使用的电源为12v直流电源，电动机驱动板6在本发明所提供的示例中使用电源为3.3v直流电源。经过计算，光源功耗主要由三个部分构成。第一部分由电动机驱动板6、电动机7构成，功耗约300mw；第二部分由led灯盘4构成，功耗约为100mw；第三部分由led驱动及控制电路板2构成，功耗约70mw。最终总功耗不超过500mw，远低于现有小型宽谱光源的功率消耗(现有三种类型小型光源的典型功耗分别为：小型窄带光源500mw、低功耗宽谱光源15w、小型大单位波长功率宽谱光源140w)。

外壳1上与led灯盘4对应的一侧开设1个通光孔8，另一侧设置外部接口9，led驱动及控制电路板2通过外部接口9与上位机连接，连接线中设置有串口通信线和电源线，用以与外部连接，进而从外部获取电力和控制指令。

如图2所示，电动机7通过马耳他十字机芯10与主动轮一11连接，主动轮一11与从动轮一12齿轮啮合，led灯盘4固定于从动轮一12上。如图3所示，led灯盘上设置有与led灯连接的译码及led驱动电路，led灯盘4中心设置有与译码及led驱动电路连接的接线端口13，从动轮一12和led灯盘4上开设可供排线14穿过的弧形孔15，电刷3通过排线14与接线端口13连接。译码及led驱动电路的元件以旋转轴为对称轴对称分布，确保led灯盘质心位于旋转轴上，排线14一端通过接线端口13与译码及led驱动电路连接，另一端穿过弧形孔15与电刷3的转子连接，电刷3的定子与微控制器相连。

电动机7上安装有编码盘，可提供电动机转动信息。马耳他十字机芯10包括与电动机输出轴相连的主动轮二16，和与主动轮一11同轴固定的从动轮二17，主动轮二16上开设弧形缺口，从动轮二17上开设条形槽和弧形槽，可实现主动轮一11的停止和转动过程。

本发明提供的一种单点连续扫描的低功耗宽光谱led光源通过电动机带动马耳他十字机芯10转动，马耳他十字机芯10每两次动作之间会有一定的时间间隔，每次动作包含转动和停留两部分，马耳他十字机芯10的主动轮二的弧形缺口为83°，因此，每次转动时间与静止时间比为1:3.3，从动轮二17每次转动60°，因此主动轮一11每次转动60°，由于主动轮一11与从动轮一12的半径比为1:2，因此，从动轮一12每次转动30°，每次led灯盘4转动时，当前led灯盘4上对准通光孔8的led灯5熄灭，同时顺转动方向移走，后一盏led灯5即预备位led灯5被准确移动到位，对准通光孔8并由led驱动及控制电路板控制其点亮。为了传动更加平稳，主动轮一和从动轮一为渐开线齿形的齿轮。

具体工作过程如下：

(1)启动过程：

当外部接口的电源接通并接收到启动指令后，led驱动及控制电路板上的微控制器启动，并开始初始化。

在初始化过程中：

a、微控制器首先会确保关闭“译码及led驱动电路”和“电动机系统的电动机驱动电路”的供电，从而保证在启动时led灯是关闭的，电动机是停转的。

b、之后，微控制器会读取上一次关闭时保存的重要信息，包括上一次关闭时电动机系统转动停止后：马耳他十字机芯主动轮二的角度信息、当前动作周期所对应的led灯编码。还包括确定当前动作周期对应led灯编码和点亮状态向上位机发送的方式：一种为查询式，即上位机通过外部接口向微控制器发送查询指令，微控制器接收到指令后向上位机发送当前动作周期对应的led灯编码和点亮状态；另一种为触发式，当led灯编码或点亮状态发生变化时，微控制器向上位机发送当前动作周期对应的led灯编码和点亮状态。采用查询式或触发式的设置，根据上位机发送至微控制器的指令进行更改。当选择触发式发送方式时，查询式发送程序同样工作。当选择查询式发送方式时，触发式发送程序不工作。

c、然后，微控制器会读取重要数值，并对各个变量赋初值或进行数值修正。读取信息包括：

i固件中对当前硬件中电动机有无安装调速齿轮组的描述，即马耳他十字机芯主动轮二转动一周时电动机转动几周。由于当前示例硬件没有安装调速齿轮组，所以该处读的数值为1。

ii固件中对当前硬件中马耳他十字机芯的描述，即主动轮二转动时间和动作周期总时间的比值。对应硬件此处值为10:43。

iii固件中对当前硬件中led灯个数的描述，当前值为12。

iv当前电动机编码盘数值，即当前电动机的转动情况。

根据以上信息，执行赋初值和数值修正操作：

i根据固件中对当前硬件中电动机有无安装调速齿轮组的描述，对相关变量赋初值。

ii根据固件中对当前硬件中马耳他十字机芯的描述，对相关变量赋初值。

iii根据固件中对当前硬件中led灯个数的描述，设定led灯编码的最大值，当前硬件对应值为0x0b。

iv根据当前电动机编码盘数值，修正读取到的上一次电动机停转时的马耳他十字机芯主动轮二的位置数据。

d、最后，微控制器会根据当前已知的信息，启动工作循环。

i微控制器会根据已知信息中马耳他十字机芯主动轮二的转动位置，选择是否点亮当前动作周期所对应的led灯。，并开始根据led灯编码和点亮状态向上位机发送的方式或等待接收到查询指令后汇报当前工作周期对应led灯编码和点亮状态，或当led灯编码或点亮状态发生变化时，向上位机发送当前工作周期对应led灯编码和点亮状态，同时支持查询指令查询。点亮一盏led灯所需要的条件有两个：其一、微控制器输出该led灯所对应的编码给译码及led驱动电路，当前硬件有12盏led灯，所以编码取值范围为0x00到0x0b；其二、微控制器开启对译码及led驱动电路的供电。

ii微控制器打开电动机驱动板中电动机驱动电路的电源，电动机开始转动。

(2)工作循环过程：

工作循环的主要动作是：电动机系统的电动机提供动力带动马耳他十字机芯工作，马耳他十字机芯带动主动轮一11和从动轮一12工作，从而带动led灯盘转动，微控制器通过监控电动机转动情况确定马耳他十字机芯主动轮二转动情况，微控制器根据马耳他十字机芯主动轮二转动情况确定并控制当前动作周期对应的led灯。依次描述各个动作：

电动机系统中的三个部分：电动机、编码盘、电动机驱动电路，作用分别为：机械装置的动力源、监控电动机转动、为电动机提供电力。在启动过程完成后，恢复了电动机驱动电路的供电，从而使得电动机开始转动。由于此处电动机没有安装调速齿轮组(根据需要可以安装，但需要修改固件中的对应参数)，电动机转子与马耳他十字机芯主动轮二16直接相连，马耳他十字机芯主动轮二16跟随电动机转子一起同步转动，进而马耳他十字机芯从动轮二17会根据主动轮二的转动，周期性的停止和旋转一定角度，动作周期内旋转部分和停止部分的比值为1:3.3，旋转时旋转的一定角度值为60°。

马耳他十字机芯从动轮二17和主动轮一11直接同轴相连，同步转动。此处减速齿轮组主动轮一是从动轮一半径的一半，所以当马耳他十字机芯从动轮二17旋转60°时，减速齿轮组主动轮一旋转60°，减速齿轮组从动轮一12旋转30°，由于减速齿轮组为齿轮组，齿轮齿形都为渐开线齿形，故减速齿轮组传动连续且平稳，所以减速齿轮组从动轮一的动作为周期性的停止和旋转一定角度，动作周期内旋转部分和停止部分的比值为1:3.3，旋转时旋转的一定角度值为30°。

减速齿轮组从动轮一12和led灯盘4同轴相连，同步转动，所以led灯盘4动作为周期性的停止和旋转一定角度，动作周期内旋转部分和停止部分的比值为1:3.3，旋转时旋转的一定角度值为30°。led灯盘上搭载有译码及led驱动电路。为了将译码及led驱动电路与微控制器相连，减速齿轮组从动轮一固定在一个电刷上，译码及led驱动电路通过led灯盘和减速齿轮组从动轮一上的开孔，使用排线与电刷电路的转子一端相连，电刷电路的定子一端与微控制器的接口相连。电刷的转子跟随减速齿轮组从动轮一同步转动，电刷定子固定在保护外壳上不转动。

由上可知，微控制器通过监控电动机的转动情况就可以监控led灯盘的转动情况，从而确定译码及led驱动电路的动作。该过程为：

微控制器持续读取电动机系统中编码盘的数值，从而确定电动机的转动位置，进而通过上述机械传动过程确定led灯盘的转动情况。

当led灯盘处于动作周期的停止部分时，微控制器点亮当前动作周期对应的led灯。

当led灯盘处于动作周期的旋转部分时，微控制器熄灭上一个周期对应的led灯，计算当前周期所对应的led灯编码并赋值给相关控制变量。

此处定义当前动作周期所对应的led灯：在当led灯盘处于动作周期的停止部分时，对准通光孔的led灯；当led灯盘处于动作周期的旋转部分时，将要对准通光孔的led灯。

在工作循环过程中，向上位机汇报当前工作周期对应的led灯编码和点亮状态的程序是同时执行的，该程序会根据设置执行对应功能。

(3)关闭过程：

从外部接口接收到关闭指令后，首先，微控制器会关闭电动机系统中电动机驱动电路和译码及led驱动电路的供电，导致电动机停转，led灯熄灭，但依据惯性电动机和机械结构还会运作小段时间。期间微控制还会持续监控led灯盘的转动情况并计算当前led灯盘动作周期所对应的led灯编码。

待机械结构停止动作之后，微控制器保存当前周期所对应的led灯编码和当前马耳他十字机芯主动轮二的角度信息，保存向上位机汇报当前工作周期对应的led灯编码和点亮状态的方式的设置信息。

微控制器处于待机状态，等待从外部接口接收启动指令，或等待外部接口切断电源。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。