基于电源纹波的多路LED灯亮度旁路检测装置和方法与流程

本发明涉及一种多路LED灯亮度检测方法，尤其涉及一种基于电源纹波的多路PWM调制的LED灯亮度旁路检测装置和方法。

背景技术：

LED是固态电光源和半导体照明装置。它的电气特性是高度离散的。具有体积小，机械强度大，功耗低，寿命长，调节控制容易，无污染的特点。PWM是脉冲宽度调制信号，其中脉冲宽度表示的是脉冲高电平的时间，PWM调光通过PWM波LED打开和关闭，以改变正向电流的传导时间，以达到亮度调节的效果，因为人眼对亮度闪烁不敏感，当PWM波频率大于100Hz时，人眼观察到的时LED的平均亮度。

当前针对LED灯的亮度检测大多基于传感器，而使用传感器的弊端越来越明显，较为普遍的是传感器在易受环境影响，在恶劣环境中性能不稳定，容易受外界灰尘的影响等。同时需要在设计LED整体电路时需要将传感器直接安装在驱动电路中，不利于设备的更新换代，因此需要开发更智能更便捷、在不改变原有电路的结构下能够实现亮度检测的旁路检测方法与系统，然而目前未见相关报道。

技术实现要素：

针对背景技术中的不足，本发明设计目的在于提供一种基于电源纹波的多路PWM调制LED灯亮度旁路检测方法，针对一个电源驱动多路LED灯的情况，利用多路PWM调制的LED灯的不同状态对LED灯驱动电路的扰动而产生的不同电源纹波规律性变化来间接检测每路LED灯对应的亮度。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一、一种基于电源纹波的多路LED灯亮度旁路检测装置

装置包括LED灯、LED灯驱动电路、电源纹波信号采集电路和信号处理器；LED灯驱动电路与LED灯相连并控制LED灯，若干个连有LED灯的LED灯驱动电路并联接到电源上形成多路LED灯，电源纹波信号采集电路接到电源上并采集若干个LED灯驱动电路对电源产生的电源纹波，电源纹波信号采集电路通过CH340USB转接口将采集到的电源纹波传输到信号处理器，所述信号处理器为计算机终端。

所述的LED灯驱动电路包括驱动电路电源端口、驱动电路输出端口、LED灯正负接口、PWM信号占空比控制电路和LED灯工作电路，PWM信号占空比控制电路与LED灯工作电路相连，LED灯工作电路依次通过驱动电路输出端口和LED灯正负接口与LED灯相连，LED灯驱动电路通过驱动电路电源端口连接到电源上；外部旋钮或红外遥控控制PWM信号占空比控制电路中PWM波中高电平与低电平的占空比，使得LED灯工作电路的工作时间得到控制，达到调节LED灯亮度的效果。

所述电源纹波信号采集电路包括滤波电路、负载电阻、取样电阻、AD取样模块和放大电路；电源之间连接有串联的负载电阻和取样电阻，取样电阻的两端与放大电路连接，放大电路将取样电阻两端的微弱的差分信号转化放大后输出，放大电路依次与滤波电路、电容、AD取样模块相连，AD取样模块通过CH340串口转USB芯片将采集到的电源纹波传输到信号处理器。

二、一种基于电源纹波的多路LED灯亮度旁路检测方法

所述信号处理器中输入混合纹波信号，对混合纹波信号进行处理的方法包括以下步骤：

1)对混合纹波信号进行j层分解，分解重构后获得混合纹波信号的小波系数和尺度系数；

所述步骤1)具体为：

利用Hilbert变换的复小波函数基对混合纹波信号进行j层分解，分解重构后获得分解信号Y，从分解信号Y中可得混合纹波信号的小波系数和尺度系数：

其中di为分解信号Y中第i个小波系数，cj为分解信号Y中第j个尺度系数。

2)选取小波系数和尺度系数，建立信号分解矩阵，对信号分解矩阵进行降维重构，获得多通道信号

所述步骤2)具体为：

对信号分解矩阵Q进行降维重构，获得多通道信号

选取小波系数d1,d2,...,dj和尺度系数cj，其中，d1表示第1个小波系数，d2表示第2个小波系数，dj表示第j个小波系数，建立信号分解矩阵Q＝[cj,d1,d2,...,dj]^T，计算协方差矩阵S的特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λj+1]以及对应的特征向量V＝[ω1,ω2,...,ωj+1]：

其中，u1表示尺度系数cj的均值，u2表示小波系数d1的均值，uj+1表示小波系数dj的均值，T表示转置操作，λ1表示协方差矩阵S中第1个特征值，λj+1表示协方差矩阵S中第j+1个特征值，ω1表示协方差矩阵S中第1个特征向量，ωj+1表示协方差矩阵S中第j+1个特征向量；

将特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λj+1]从大到小进行排序，依次选择N-1个特征值，其中N表示LED灯的个数，从信号分解矩阵Q中选出与N-1个特征值所对应的特征值序号的N-1个信号分量与混合纹波信号共同组成多通道信号

3)将多通道信号进行白化处理获得白化多通道信号对分离矩阵M随机赋初始值，利用白化多通道信号将分离矩阵M不断迭代至前一个分离矩阵Mk-1与当前的分离矩阵Mk的误差满足∑∑|Mk-Mk-1|≤σ，获得最终的分离矩阵M；其中，σ为误差，满足0<σ<1，k为分离矩阵M迭代的次数，∑∑|Mk-Mk-1|表示分离矩阵Mk与分离矩阵Mk-1作差后获得中间矩阵，对中间矩阵中所有元素进行求和后获得结果；计算获得原始多通道信号其中O(t)＝[O1(t),O2(t),···,ON(t)]，O1(t)表示第1个原始通道信号，N表示总共有N路LED灯；

所述步骤3)具体为：

将多通道信号采用以下公式进行白化处理获得白化多通道信号

对分离矩阵M随机赋初始值，利用下列公式将分离矩阵M不断迭代至前一个分离矩阵Mk-1与当前的分离矩阵Mk的误差满足|Mk-Mk-1|≤σ，获得最终的分离矩阵M；

其中，表示累积分布函数，表示概率分布函数，mk-1表示第k-1次迭代获得的分离矩阵M中某一行，y表示白化多通道信号中与mk-1相同的行序号的一行，mk表示第k次迭代获得的分离矩阵M中与mk-1相同的行序号的一行，Mk-1表示第k-1次迭代计算所得的分离矩阵M，Mk表示第k次迭代计算所得的分离矩阵M，E{}表示期望操作，T表示转置操作；

最后，计算原始多通道信号

4)将原始多通道信号O(t)中的每个子原始通道信号均转换成方波信号，计算每个方波信号的占空比，形成总占空比q＝[q1,q2,...,qN]，由总占空比q得N盏LED灯亮度L＝[L1,L2,...,LN]，其中，占空比与LED灯亮度等比例对应，当占空比为1时，LED灯为最亮的工作状态；当占空比为0时，LED灯完全熄灭。

本发明具有的有效效益是：

本发明所设计的一种基于电源纹波的多路PWM调制LED灯亮度旁路检测装置和方法，不同于传统的基于传感器的LED灯亮度检测方法，利用PWM调制LED灯的不同状态对LED灯驱动电路的扰动而产生的不同电源纹波规律性变化来间接检测每路LED灯对应的亮度。

本发明所设计的一种基于电源纹波的多路PWM调制LED灯亮度旁路检测装置，作为一种旁路接入式系统，在不改变原有电路的条件下，实现了多路PWM调制LED的亮度检测，并且系统结构简单，实现成本低，使用范围广，具有一定的普适性，结合当下泛在电力物联网，基于电源纹波的无传感检测，提供了另一种思路。

附图说明

图1是本发明实施例的模块示意图；

图2是本发明实施例的结构框图；

图3是PWM信号占空比控制电路接口示意图；

图4是电源纹波信号采集电路电路图；

图5是信号处理器的信号处理算法流程图；

图中：1、LED灯，2、LED灯驱动电路，3、电源纹波信号采集电路，4、信号处理器，5、电源，6、驱动电路电源端口，7、PWM信号占空比控制电路，8、驱动电路输出端口，9、LED灯正负接口，10、LED灯工作电路，11、滤波电路，12、负载电阻，13、取样电阻，14、AD取样模块，15、放大电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括LED灯1、LED灯驱动电路2、电源纹波信号采集电路3和信号处理器4；LED灯驱动电路2与LED灯1相连并控制LED灯1，若干个连有LED灯1的LED灯驱动电路2并联接到电源5上形成多路LED灯，电源纹波信号采集电路3接到电源5上并采集若干个LED灯驱动电路2对电源5产生的电源纹波，电源纹波信号采集电路3通过CH340USB转接口将采集到的电源纹波传输到信号处理器4，信号处理器4为计算机终端。

LED灯驱动电路2包括驱动电路电源端口6、驱动电路输出端口8、LED灯正负接口9、PWM信号占空比控制电路7和LED灯工作电路10，PWM信号占空比控制电路7与LED灯工作电路10相连，LED灯工作电路10依次通过驱动电路输出端口8和LED灯正负接口9与LED灯1相连，LED灯驱动电路2通过驱动电路电源端口6连接到电源5上；外部旋钮或红外遥控控制PWM信号占空比控制电路7中PWM波中高电平与低电平的占空比，使得LED灯工作电路10的工作时间得到控制，达到调节LED灯1亮度的效果。

其中PWM信号占空比控制电路选用市面上易购买到的占空比可调方波矩形波信号发生电路，本发明实施中选用telesky公司的一款带液晶显示的PWM脉冲模块，三个PWM信号发生器输出50Hz，200Hz，600Hz的等幅度PWM波到LED灯的工作电路，具体实施中，LED灯驱动电路2选择三路，即LED灯的个数为三。

如图4所示，电源纹波信号采集电路3包括滤波电路11、负载电阻12、取样电阻13、AD取样模块14和放大电路15；电源5之间连接有串联的负载电阻12和取样电阻13，取样电阻13的两端与放大电路15连接，放大电路15将取样电阻13两端的微弱的差分信号转化放大后输出，放大电路15依次与滤波电路11、电容、AD取样模块14相连，AD取样模块14通过CH340串口转USB芯片将采集到的电源纹波传输到信号处理器4。

具体实施中，负载电阻12选取120Ω，取样电阻13选取为1Ω，选取基于OP27的同相输入放大器A1和A2，同相输入放大器A1和A2的同相输入实现输入电阻的放大。基于INA105的差分放大器A3将差分的输入信号转换成单端输出信号，提高了放大电路15的共模抑制比即抑制共模，放大差模增益，同时抑制了噪声。根据电路原理，计算该放大器的差模增益：

Avd＝1+2R3/RX

其中Avd表示电压放大倍数。本发明实例中选取电阻R3为5kΩ的滑动变阻器，电阻R4为20kΩ，因此放大倍数最小为9倍。

滤波电路11使用基于OP27的二阶低通滤波器来滤除高频的噪声，使波形更加平滑。二阶RC低通滤波器的截止频率f与二阶RC低通滤波器的直接关系式如下：

其中本实例选取的电阻R5＝R6＝5kΩ，电容C1＝C2＝0.01uF，计算得二阶RC低通滤波器的截止频率f为1190kHz。

AD取样模块14选取的是ST公司的STM32F103系列单片机的内部ADC资源，AD取样模块14将获取的采样数据通过STM32的内部DMA转移到内存，减轻CPU的负担，同时增强AD采样的稳定性和精确度，并通过板载CH340串口转USB芯片，通过UART串行通信将采样数据，即混合纹波信号传输至信号处理器4中，本发明具体实施中取样频率为10kHz，满足奈奎斯特采样频率定理。

如图5所示，信号处理器4中输入混合纹波信号，对混合纹波信号进行处理的方法包括以下步骤：

1)对混合纹波信号进行j层分解，分解重构后获得混合纹波信号的小波系数和尺度系数；

步骤1)具体为：

利用Hilbert变换的复小波函数基对混合纹波信号进行j层分解，分解重构后获得分解信号Y，从分解信号Y中可得混合纹波信号的小波系数和尺度系数：

其中di为分解信号Y中第i个小波系数，cj为分解信号Y中第j个尺度系数。

具体实施中，j＝4，得到对应的信号分量为：

2)选取小波系数和尺度系数，建立信号分解矩阵，对信号分解矩阵进行降维重构，获得多通道信号

步骤2)具体为：

对信号分解矩阵Q进行降维重构，获得多通道信号

选取小波系数d1,d2,...,dj和尺度系数cj，其中，d1表示第1个小波系数，d2表示第2个小波系数，dj表示第j个小波系数，建立信号分解矩阵Q＝[cj,d1,d2,...,dj]^T，计算协方差矩阵S的特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λj+1]以及对应的特征向量V＝[ω1,ω2,...,ωj+1]：

其中，u1表示尺度系数cj的均值，u2表示小波系数d1的均值，uj+1表示小波系数dj的均值，T表示转置操作，λ1表示协方差矩阵S中第1个特征值，λj+1表示协方差矩阵S中第j+1个特征值，ω1表示协方差矩阵S中第1个特征向量，ωj+1表示协方差矩阵S中第j+1个特征向量；

将特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λj+1]从大到小进行排序，依次选择N-1个特征值，其中N表示LED灯的个数，从信号分解矩阵Q中选出与N-1个特征值所对应的特征值序号的N-1个信号分量与混合纹波信号共同组成多通道信号

具体实施中，信号分解矩阵Q＝[c4,d1,d2,d3,d4]^T，先计算信号分解矩阵Q每个信号分量的均值向量：

其中，L为信号分量的长度。

协方差矩阵S的特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λ5]以及对应的特征向量V＝[ω1,ω2,...,ω5]；将特征值Λ＝[λ1,λ2,...,λ5]从大到小进行排序，依次选择2个特征值，从信号分解矩阵Q中选出与2个特征值所对应的特征值序号的2个信号分量与混合纹波信号共同组成多通道信号

3)将多通道信号进行白化处理获得白化多通道信号对分离矩阵M随机赋初始值，利用白化多通道信号将分离矩阵M不断迭代至前一个分离矩阵Mk-1与当前的分离矩阵Mk的误差满足∑∑|Mk-Mk-1|≤σ，获得最终的分离矩阵M；其中，σ为误差，满足0<σ<1，k为分离矩阵M迭代的次数，∑∑|Mk-Mk-1|表示分离矩阵Mk与分离矩阵Mk-1作差后获得中间矩阵，对中间矩阵中所有元素进行求和后获得结果；计算获得原始多通道信号其中O(t)＝[O1(t),O2(t),···,ON(t)]，O1(t)表示第1个原始通道信号，即第1路LED灯所产生的原始通道信号，N表示总共有N路LED灯；

步骤3)具体为：

将多通道信号采用以下公式进行白化处理获得白化多通道信号

对分离矩阵M随机赋初始值，利用下列公式将分离矩阵M不断迭代至前一个分离矩阵Mk-1与当前的分离矩阵Mk的误差满足∑∑|Mk-Mk-1|≤σ，获得最终的分离矩阵M；

其中，表示累积分布函数，表示概率分布函数，mk-1表示第k-1次迭代获得的分离矩阵M中某一行，y表示白化多通道信号中与mk-1相同的行序号的一行，mk表示第k次迭代获得的分离矩阵M中与mk-1相同的行序号的一行，Mk-1表示第k-1次迭代计算所得的分离矩阵M，Mk表示第k次迭代计算所得的分离矩阵M，E{}表示期望操作，T表示转置操作；

最后，计算原始多通道信号

4)将原始多通道信号O(t)中的每个子原始通道信号均转换成方波信号，计算每个方波信号的占空比，形成总占空比q＝[q1,q2,···,qN]，由总占空比q得N盏LED灯亮度L＝[L1,L2,···,LN]，其中，占空比与LED灯亮度等比例对应，当占空比为1时，LED灯为最亮的工作状态；当占空比为0时，LED灯完全熄灭。

具体实施中，总占空比q＝[q1,q2,q3]，对应的三盏LED灯的亮度L＝[L1,L2,L3]。