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自1971年Kurbativ等人首次制備出半導體SLED以來，SLED得到了驚人的發展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時域發射儀等方面得到了廣泛的應用。SLED兼有LD和LED的優點，是一種自發輻射單程光放大非相干光源，具有發射譜寬、高輸出功率、體積小、質量輕的特點。另外，由于其時間相干性短和空間相干性長，能有效地將光耦合進單模光纖。 對于SLED來說，其出射光功率及中心波長會隨著驅動電流和管芯溫度的漂移而發生變化。為了獲得良好的光源性能，SLED管芯的電流和溫度控制精度必須達到一定的水平。基于實現輸出功率穩定、可靠，輸出波長準確的目的，筆者設計了基于MSP430F449單片機的智能數字化SLED控制系統。 SLED特點介紹 系統采用了美國DenseLignt公司的DL-CS5029NSLED光源組件，它采用了標準的DIL14腳帶尾纖的耦合封裝，內置了熱敏電阻和制冷器。內置的熱敏電阻具有負溫度系數，阻值隨溫度升高而減小，常溫下(25℃)阻值為10kΩ。其中，該光源組件的TEC的制冷電壓最高為1.8V，制冷電流為0.8A，在設計驅動電路時注意不要超過這個參數限制。 當光源工作時，溫度會升高，這對輸出功率影響很大。當輸入電流不變時，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過高也會影響光源的使用壽命。因此，要想穩定功率，解決驅動電流和溫度的問題很重要。SLED的驅動控制多采用恒流控制和制冷器控制，當溫度不變時，輸出光功率就隨電流增加而增加。基于上面這幾點特性要求，穩定輸出功率的驅動光源電路要從控制驅動電流和制冷器入手，通過穩定電流和溫度，間接來穩定輸出光功率。 系統結構原理 系統主要實現了恒流驅動及恒溫控制等功能。整個系統由單片機控制。單片機采用MSP430系列的F449單片機，它是TI公司推出的超低功耗16位單片機，尤其適合于小型的嵌入式系統設計。其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達200ks/s。系統中，電橋電路對溫敏電阻進行電壓采樣，送入ADC進行轉換，再經過內部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個電壓來控制專用的半導體制冷器（TEC）控制芯片，以達到對SLED進行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結合恒流源電路來實現。系統原理如圖1所示。 圖1 控制系統原理圖 恒流源電路設計 系統對恒流源的要求是電流高度穩定，漂移和噪聲足夠小。采用高精度DAC作為恒壓源，再通過V-I轉換電路就構成了數字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統采用美信公司的12位串行DACMAX5812結合兩個運放組成V-I轉換電路。其中，MAX5812與單片機的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時要外接上拉電阻。 圖2 恒流源電路原理圖 該恒流源克服了模擬式恒流源的缺點，可以根據系統需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩定度與DAC精度有關，如果采用更高位數的DAC就可以做成更高精度的恒流源。 溫控電路的設計 1 溫度采樣電路設計 該光源模塊組件采用溫敏電阻來反映管芯溫度，溫度采樣電路如圖3所示。采用電阻橋式電路，后面配合專用的橋式放大芯片和電壓調理轉換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉化為適合于單片機ADC輸入的量程范圍內。 圖3溫度采樣電路 電路中橋式放大器采用了美信公司的MAX4194。它是一種微功耗、單電源、滿擺幅、精密、增益可調的儀表放大器，非常適合于做橋式放大器使用。但MAX4194的輸出電壓范圍不適合MSP430F449單片機的輸出量程，后面還需要加上信號調理電路，將信號調整到0～2.5V的輸入電壓范圍。 MSP430的ADC基準有片內和片外兩種。雖然選用片內基準就可以不外接，減小電路的復雜程度，但因為所需的轉換精度較高，且片內基準的溫度系數較大（100×10-6/℃），這里選用了精度比較高的片外基準電壓源MAX6173。它的輸入電壓為4.5～40V，輸出電壓為2.5V，最大溫度系數為3×10-6/℃，可以達到設計要求。 2 TEC控制電路設計 TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關兩種。傳統SLED的溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個簡單的線性驅動TEC電路由兩個推挽功率三極管構成，雖然具有電流紋波小且容易設計和制造的優點，但功率效率低，控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制“死區”問題。 本系統采用美信公司的MAX1968，它是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關型驅動芯片，工作于單電源，能夠提供±3A雙極性輸出，采用直接的電流控制。MAX1968用于設定和穩定TEC的溫度，每個加載在MAX1968電流控制輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當的電流通過TEC將驅動TEC對SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經內部單片機運算后反饋給MAX1968，用于調整系統回路和驅動TEC工作。 圖4 溫度控制原理圖 圖4為SLED溫度控制電路原理圖。在電路中，MAXIP和MAXIN引腳的電壓用來控制流過TEC的最大正向和反向驅動電流，MAXIV引腳的電壓用來設置TEC的最大驅動電壓。通過一個分壓電路來實現各個引腳電壓的設定，如圖4所示。CS和OS1引腳之間的電阻RSENSE用來設置流過TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當VCTLI>1.5V時，MAX1968制冷，反之制熱。在實際應用中，根據驅動不同的SLED光源組件，合理設置參數即可。 系統中主控回路采用負反饋，將溫度傳感器輸出的電壓與給定電壓比較，所得誤差值經PID控制算法處理后，經過DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的電壓、電流的大小和方向，進而實現制冷或制熱。 3 控制方法 在系統中利用單片機作為微控制器，通過ADC、DAC轉換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTLI，以驅動TEC實現對SLED的加熱或制冷。這種軟硬件結合的方法，大大提高了整個系統的穩定性和精度。 由于PID控制器具有穩態誤差小、動態性能好、控制精度高等特點，所以在溫度控制系統中引入數字PID算法，其離散化的表達式為 Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei] 式中，ui是第i次PID運算輸出量，經DAC轉換后送給溫度控制電路；ei=w－yi，yi是第次溫度采樣值，w是設定溫度下溫度采樣的理論值；Δei=ei－ei-1，Δ2ei=Δe－Δei-1. P、I、D分別是PID控制器的比例系數、積分系數和微分系數。通過調節這三個參數，可以使得溫控系統處于一個控制快速，準確的工作狀態。 鍵盤和顯示電路的設計 鍵盤采用3鍵式獨立按鍵，可以實現對PID控制算法三個參數的設置以及報警等功能的設計。由于MSP430的P1口具有中斷功能，因此鍵盤軟件的編寫采用中斷的方式來實現。顯示電路采用RT1602C，這是一種能同時顯示16×2個字符的液晶，內部存貯有常用的點陣字符圖形，方便易用。由于是5V電壓操作，而MSP430單片機在3.3V工作，因此采用了一個電平轉換芯片SN74LVC4245DB來完成轉換。 實驗結果 該系統在室溫下對功率為0.2mW左右的SLED光源組件DL-CS5029N進行試驗，實驗結果表明：其穩定度優于0.1%。 結語 采用“數控恒流源+高精度溫控”的方案，設計了SLED控制系統，并且在系統內引入了PID 控制算法。通過多次試驗表明，SLED光源可以顯著提高光源出纖光功率的穩定性。數字控制方法是目前比較理想的驅動方案，具有較好的發展前途。 |
