基于MSP430單片機的SLED控制系統(tǒng)的設計

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(fā)展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時域發(fā)射儀等方面得到了廣泛的應用。SLED兼有LD和LED的優(yōu)點，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(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到一定的水平?；趯崿F輸出功率穩(wěn)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(tǒng)。

SLED特點介紹

系統(tǒng)采用了美國DenseLignt公司的DL-CS5029N SLED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(wěn)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(wěn)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(wěn)定電流和溫度，間接來穩(wěn)定輸出光功率。

系統(tǒng)結構原理

系統(tǒng)主要實現了恒流驅動及恒溫控制等功能。整個系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

恒流源電路設計

系統(tǒng)對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(tǒng)采用美信公司的12位串行DAC MAX5812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(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，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(tǒng)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(yōu)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(qū)”問題。

本系統(tǒng)采用美信公司的MAX1968，它是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關型驅動芯片，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用于設定和穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。

由于PID控制器具有穩(wěn)態(tài)誤差小、動態(tài)性能好、控制精度高等特點，所以在溫度控制系統(tǒng)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(jié)這三個參數，可以使得溫控系統(tǒng)處于一個控制快速，準確的工作狀態(tài)。

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(tǒng)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(wěn)定度優(yōu)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(tǒng)，并且在系統(tǒng)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(wěn)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(fā)展前途。