基于MSP430的SLED控制系統的設計

自1971年Kurbativ等人首次制備出半導體SLED以來(lái)，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(cháng)，能有效地將光耦合進(jìn)單模光纖。

對于SLED來(lái)說(shuō)，其出射光功率及中心波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)驅動(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到一定的水平。基于實(shí)現輸出功率穩定、可靠，輸出波長(cháng)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(diǎn)介紹
系統采用了美國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(dòng)電路時(shí)注意不要超過(guò)這個(gè)參數限制。

當光源工作時(shí)，溫度會(huì )升高，這對輸出功率影響很大。當輸入電流不變時(shí)，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過(guò)高也會(huì )影響光源的使用壽命。因此，要想穩定功率，解決驅動(dòng)電流和溫度的問(wèn)題很重要。SLED的驅動(dòng)控制多采用恒流控制和制冷器控制，當溫度不變時(shí)，輸出光功率就隨電流增加而增加。基于上面這幾點(diǎn)特性要求，穩定輸出功率的驅動(dòng)光源電路要從控制驅動(dòng)電流和制冷器入手，通過(guò)穩定電流和溫度，間接來(lái)穩定輸出光功率。

系統結構原理
系統主要實(shí)現了恒流驅動(dòng)及恒溫控制等功能。整個(gè)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(jìn)行電壓采樣，送入ADC進(jìn)行轉換，再經(jīng)過(guò)內部的PID控制程序，通過(guò)DAC2輸出一個(gè)電壓來(lái)控制專(zhuān)用的半導體制冷器（TEC）控制芯片，以達到對SLED進(jìn)行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結合恒流源電路來(lái)實(shí)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(guò)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DAC MAX5812結合兩個(gè)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(xiàn)，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(guān)，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(lái)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(zhuān)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