基于MSP430的SLED控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自1971年Kurbativ等人首次制備出半導(dǎo)體SLED以來，SLED得到了驚人的發(fā)展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時(shí)域發(fā)射儀等方面得到了廣泛的應(yīng)用。SLED兼有LD和LED的優(yōu)點(diǎn)，是一種自發(fā)輻射單程光放大非相干光源，具有發(fā)射譜寬、高輸出功率、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。另外，由于其時(shí)間相干性短和空間相干性長(zhǎng)，能有效地將光耦合進(jìn)單模光纖。

對(duì)于SLED來說，其出射光功率及中心波長(zhǎng)會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電流和管芯溫度的漂移而發(fā)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(dá)到一定的水平?；趯?shí)現(xiàn)輸出功率穩(wěn)定、可靠，輸出波長(zhǎng)準(zhǔn)確的目的，筆者設(shè)計(jì)了基于MSP430F449單片機(jī)的智能數(shù)字化SLED控制系統(tǒng)。

SLED特點(diǎn)介紹
系統(tǒng)采用了美國(guó)DenseLignt公司的DL-CS5029N SLED光源組件，它采用了標(biāo)準(zhǔn)的DIL14腳帶尾纖的耦合封裝，內(nèi)置了熱敏電阻和制冷器。內(nèi)置的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，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(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)注意不要超過這個(gè)參數(shù)限制。

當(dāng)光源工作時(shí)，溫度會(huì)升高，這對(duì)輸出功率影響很大。當(dāng)輸入電流不變時(shí)，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過高也會(huì)影響光源的使用壽命。因此，要想穩(wěn)定功率，解決驅(qū)動(dòng)電流和溫度的問題很重要。SLED的驅(qū)動(dòng)控制多采用恒流控制和制冷器控制，當(dāng)溫度不變時(shí)，輸出光功率就隨電流增加而增加?；谏厦孢@幾點(diǎn)特性要求，穩(wěn)定輸出功率的驅(qū)動(dòng)光源電路要從控制驅(qū)動(dòng)電流和制冷器入手，通過穩(wěn)定電流和溫度，間接來穩(wěn)定輸出光功率。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了恒流驅(qū)動(dòng)及恒溫控制等功能。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制。單片機(jī)采用MSP430系列的F449單片機(jī)，它是TI公司推出的超低功耗16位單片機(jī)，尤其適合于小型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達(dá)200ks/s。系統(tǒng)中，電橋電路對(duì)溫敏電阻進(jìn)行電壓采樣，送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過內(nèi)部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個(gè)電壓來控制專用的半導(dǎo)體制冷器（TEC）控制芯片，以達(dá)到對(duì)SLED進(jìn)行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結(jié)合恒流源電路來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

恒流源電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)對(duì)恒流源的要求是電流高度穩(wěn)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(zhuǎn)換電路就構(gòu)成了數(shù)字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統(tǒng)采用美信公司的12位串行DAC MAX5812結(jié)合兩個(gè)運(yùn)放組成V-I轉(zhuǎn)換電路。其中，MAX5812與單片機(jī)的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時(shí)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(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩(wěn)定度與DAC精度有關(guān)，如果采用更高位數(shù)的DAC就可以做成更高精度的恒流源。

溫控電路的設(shè)計(jì)
1 溫度采樣電路設(shè)計(jì)
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(diào)理轉(zhuǎn)換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉(zhuǎn)化為適合于單片機(jī)ADC輸入的量程范圍內(nèi)。

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(diào)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(jī)的輸出量程，后面還需要加上信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)調(diào)整到0～2.5V的輸入電壓范圍。

MSP430的ADC基準(zhǔn)有片內(nèi)和片外兩種。雖然選用片內(nèi)基準(zhǔn)就可以不外接，減小電路的復(fù)雜程度，但因?yàn)樗璧霓D(zhuǎn)換精度較高，且片內(nèi)基準(zhǔn)的溫度系數(shù)較大（100×10-6/℃），這里選用了精度比較高的片外基準(zhǔn)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(shù)為3×10-6/℃，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 TEC控制電路設(shè)計(jì)
TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關(guān)兩種。傳統(tǒng)SLED的溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個(gè)簡(jiǎn)單的線性驅(qū)動(dòng) TEC電路由兩個(gè)推挽功率三極管構(gòu)成，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，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(qū)”問題。

本系統(tǒng)采用美信公司的MAX1968，它是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，工作于單電源，能夠提供±3 A雙極性輸出，采用直接的電流控制。MAX1968用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度，每個(gè)加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經(jīng)內(nèi)部單片機(jī)運(yùn)算后反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電流，MAXIV引腳的電壓用來設(shè)置TEC的最大驅(qū)動(dòng)電壓。通過一個(gè)分壓電路來實(shí)現(xiàn)各個(gè)引腳電壓的設(shè)定，如圖4所示。CS和OS1引腳之間的電阻RSENSE用來設(shè)置流過TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當(dāng)VCTLI>1.5V時(shí)，MAX1968制冷，反之制熱。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)不同的SLED光源組件，合理設(shè)置參數(shù)即可。

系統(tǒng)中主控回路采用負(fù)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(jīng)PID控制算法處理后，經(jīng)過DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的電壓、電流的大小和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。

3 控制方法
在系統(tǒng)中利用單片機(jī)作為微控制器，通過ADC、DAC轉(zhuǎn)換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTLI，以驅(qū)動(dòng)TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)SLED的加熱或制冷。這種軟硬件結(jié)合的方法，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。  
由于PID控制器具有穩(wěn)態(tài)誤差小、動(dòng)態(tài)性能好、控制精度高等特點(diǎn)，所以在溫度控制系統(tǒng)中引入數(shù)字PID算法，其離散化的表達(dá)式為
Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei]
式中，ui是第i次PID運(yùn)算輸出量，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。通過調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)，可以使得溫控系統(tǒng)處于一個(gè)控制快速，準(zhǔn)確的工作狀態(tài)。

鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)
鍵盤采用3鍵式獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制算法三個(gè)參數(shù)的設(shè)置以及報(bào)警等功能的設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)。顯示電路采用RT1602C，這是一種能同時(shí)顯示16×2個(gè)字符的液晶，內(nèi)部存貯有常用的點(diǎn)陣字符圖形，方便易用。由于是5V電壓操作，而MSP430單片機(jī)在3.3V工作，因此采用了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245DB來完成轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該系統(tǒng)在室溫下對(duì)功率為0.2mW左右的SLED光源組件DL-CS5029N進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。

結(jié)語
采用“數(shù)控恒流源+高精度溫控”的方案，設(shè)計(jì)了SLED控制系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)內(nèi)引入了PID 控制算法。通過多次試驗(yàn)表明，SLED光源可以顯著提高光源出纖光功率的穩(wěn)定性。數(shù)字控制方法是目前比較理想的驅(qū)動(dòng)方案，具有較好的發(fā)展前途。