基于MSP430單片機的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?；趯?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?；谏厦孢@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

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(mǎn)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(xiàn)性和開(kāi)關(guān)兩種。傳統SLED的溫度控制大多采用線(xiàn)性模式的TEC控制器，一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性驅動(dòng) TEC電路由兩個(gè)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(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”問(wèn)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(kāi)關(guān)型驅動(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用于設定和穩定TEC的溫度，每個(gè)加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對應一個(gè)目標溫度設定點(diǎn)。適當的電流通過(guò)TEC將驅動(dòng)TEC對SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經(jīng)內部單片機運算后反饋給MAX1968，用于調整系統回路和驅動(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(lái)控制流過(guò)TEC的最大正向和反向驅動(dòng)電流，MAXIV引腳的電壓用來(lái)設置TEC的最大驅動(dòng)電壓。通過(guò)一個(gè)分壓電路來(lái)實(shí)現各個(gè)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(lái)設置流過(guò)TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當VCTLI>1.5V時(shí)，MAX1968制冷，反之制熱。在實(shí)際應用中，根據驅動(dòng)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(jīng)PID控制算法處理后，經(jīng)過(guò)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(guò)ADC、DAC轉換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTLI，以驅動(dòng)TEC實(shí)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(gè)系統的穩定性和精度。

由于PID控制器具有穩態(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(jīng)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(guò)調節這三個(gè)參數，可以使得溫控系統處于一個(gè)控制快速，準確的工作狀態(tài)。

鍵盤(pán)和顯示電路的設計

鍵盤(pán)采用3鍵式獨立按鍵，可以實(shí)現對PID控制算法三個(gè)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(pán)軟件的編寫(xiě)采用中斷的方式來(lái)實(shí)現。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單片機在3.3V工作，因此采用了一個(gè)電平轉換芯片SN74LVC4245DB來(lái)完成轉換。

實(shí)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(jìn)行試驗，實(shí)驗結果表明：其穩定度優(yōu)于0.1%。

結語(yǔ)

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(guò)多次試驗表明，SLED光源可以顯著(zhù)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(dòng)方案，具有較好的發(fā)展前途。