1．引言
白光LED 固體光源具有傳統光源不可比擬的優勢：節能、環保、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。本系統基于LabVIEW 圖形化軟件平臺而開發的一種虛擬儀器，目的是在LED 恒定電流工作過程中，通過實時監測正向工作電壓而實現對結溫的間接測量，同時監測LED 發光強度變化，即通過光照度的變化監測LED 照明燈的光衰。
2．系統總體設計
2.1 硬件設計
LED 結溫與光衰監測系統是把非電壓信號轉化為電壓信號，經采集卡采集后由計算機讀取、處理、顯示、存儲。硬件設計部分由驅動電路、照度計探頭、數據采集卡、計算機組成。其中驅動電路不在系統設計范圍內，是被測量對象。系統信號采集示意圖見圖1
圖1 系統信號采集示意圖
本示意圖中電路采用的是電容降壓 LED 驅動電路，具有很好的恒流作用。負載為同一批次、物理參數基本相同的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據記錄與分析。利用計算機使系統軟件和采集硬件結合，就可以實現實時數據采集、記錄、波形顯示，多路信號的同時采集且生成相應的數據表格。
2.2 數據采集卡
本系統采用的是由美國NI 公司的USB-6009 型號的多功能數據采集卡，其最高采集速率為48kS/s，8 路模擬輸入通道，14 位分辨率，12 條數字I/O 線，2 路模擬輸出，以及1個計數器。為了得到更精確的采集數據，避免外界干擾，本系統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，可忽略對系統的影響。監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，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，標度變換公式為（1）式。
2.5 光照度的采集
由于光照度與發光強度之間的光度學關系式[3]E＝I/R2，在軸向定距監測LED 光照度的變化，即監測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)的函數關系式為：
3．系統軟件設計
本系統以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、數據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程序將計算機與采集卡結合，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據后，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。第一幀實現數據的采集、記錄和實時顯示，如圖2。第二幀實現光照度波形回放和各個數據最大最小運算，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及條件結構進行編程，主要由數據采集模塊、數據換算模塊、實時顯示模塊和數據存儲模塊四部分組成。
（1）數據采集由子VI 采集助手完成，并控制采集卡，為整個程序提供數據源。主要包括：
初始化數據采集卡、啟動數據采集、暫停采集、停止采集等，其中初始化采集卡完成參數的設置。
（2）數據換算模塊子VI 主要實現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。
（3）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值顯示。
（4）數據存儲模塊子VI 在指定目錄下創建數據記錄文件，將處理后的數據寫入文件并保存，寫入模式設置為：本次的采集數據會自動寫在上次數據的后面，而不覆蓋。數據以字符串形式保存，并生成以時間為序的電子表格文件，以便進行后續的數據和過程描述。
第二幀主要是數據回放調用模塊子VI，選取了對光照度變化曲線的回放，同時實現各個采集數據最大值和最小值的計算。回放數據的直接來源是讀取上一幀程序所保存的文件，當用戶需要對數據進行分析處理時，可以離線狀態下重新調用數據。
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，一個數據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測信號；在采集結束后可以得到與時間相對應的數據列表，同時光照度變化曲線在光照度變化回放窗口內顯示；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與采集總次數；結束采集時,先確定采集結束,再退出系統，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 開發的LED 結溫與光衰監測系統，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，本系統有著實時記錄、實時顯示、實時觀測等諸多的優越性。
實測結果表明，整個系統簡單實用，高精度，高靈敏度，通用性強，界面友好，數據存儲方便，性能穩定可靠，且成本低廉。在LED 結溫與光照度即光衰減監測中，可以長時間、長周期地運行本系統，且提供了非連續測量。結溫與光照度數據實時數值顯示，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數據采集的需要。本系統還有很強的擴展性，可以增加監測LED 燈的其它技術指標，如LED 功率等光學參數和電學參數等。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。