基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案

0 引言

半導(dǎo)體激光器是實(shí)用中最重要的一類激光器。半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高，能直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器的這些優(yōu)良特性，因而越來越廣泛地被用于國防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域。由于半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)主要受電流和溫度兩個(gè)物理量影響，因此實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流和溫度的精密控制十分重要。

本方案設(shè)計(jì)了一套完善的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的微控制器是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32F103VCT6,其具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，并以TEC驅(qū)動(dòng)器MAX1968為執(zhí)行器件，MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統(tǒng)外部元件少，因此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有高性價(jià)比和高集成度等優(yōu)勢。

1.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用激光器為內(nèi)帶背光檢測器，半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)和熱敏電阻集成的半導(dǎo)體激光器，而半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式為電注入，半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的原理如圖1所示。STM32F103VCT6通過ADC采集熱敏電阻、MAX1968和背向光二極管信號(hào)的電壓信號(hào)。

為了保證所采集電壓的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，在ADC轉(zhuǎn)換前必須對所要采集的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理。然后STM32F103VCT6對采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算得到當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的實(shí)際工作溫度和電流。最后根據(jù)當(dāng)前半導(dǎo)體激光器工作的溫度、電流進(jìn)行PID算法的運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)通過DAC來控制TEC控制器MAX1968,讓其去驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器的TEC,從而控制半導(dǎo)體激光器的電流和溫度。同時(shí)，STM32F103VCT6和計(jì)算機(jī)之間通過串口MAX3232進(jìn)行通信，這樣既可以將半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄，也可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，很方便的調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度、目標(biāo)光強(qiáng)等參數(shù)，滿足不同的實(shí)際需要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 主控單元

本文使用ST(意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為核心控制模塊，它比單片機(jī)功能更強(qiáng)，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，擁有3個(gè)12位精度采樣的ADC,每個(gè)ADC共用多達(dá)21個(gè)外部通道，ADC的時(shí)鐘頻率最高為14MHz,即它的采樣時(shí)間最短為1us;2個(gè)12位的DAC;4個(gè)中斷源;16內(nèi)核68個(gè)外部;16級可編程中斷優(yōu)先級，實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷，映射至幾乎所有IO口，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)其典型電路設(shè)計(jì)的中控單元電路如圖2所示。

圖2中，STM32F103VCT6采用ADC通過PININ、RT1IN和ITECN三個(gè)接口分別采集背向光檢測器、熱敏電阻和MAX1968的數(shù)據(jù)信息;采用DAC通過ICONTROL和TCONTROL1口控制MAX1968來實(shí)現(xiàn)溫度和電流的反饋控制;同時(shí)，利用RX103和TX103與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。

1.2 溫控控制模塊

采用MAX1968芯片來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的溫度控制。MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，工作于單電源，能夠提供±3A雙極性輸出，激光器控制電路利用熱敏電阻反饋激光器管芯溫度，控制電路將其與給定電壓比較，進(jìn)行相應(yīng)硬件或算法處理后，輸出一定電壓給熱電制冷器(TEC)，TEC根據(jù)流過電流的方向，對激光器進(jìn)行制冷或加熱，使激光器溫度穩(wěn)定在所要求的值。激光器的溫控系統(tǒng)必須滿足控制精度高、溫度穩(wěn)定性好的要求，而且它必須是雙向控制的，以適應(yīng)外界溫度變化和激光功率的變化。

MAX1968主要由兩個(gè)開關(guān)型同步降壓穩(wěn)壓器組成，在兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出端配有高效MOSFET,由LX1、LX2引出，經(jīng)過LC濾波驅(qū)動(dòng)TEC.兩個(gè)穩(wěn)壓器同時(shí)工作產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電壓，直接控制TEC電流，實(shí)現(xiàn)TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線性驅(qū)動(dòng)所存在的“死區(qū)”問題，以及輕載電流時(shí)的非線性題目，能夠?qū)崿F(xiàn)無“死區(qū)”溫度控制。

外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸進(jìn)端CTL1,直接設(shè)置TEC電流。一般TEC+接OS2,TEC-接OS1,OS1和OS2不是功率輸出，而是用來感測通過TEC的電流，流過TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為TEC電流的感應(yīng)電阻;VCTL1為外部控制電路的輸出電壓;VREF為參考電壓(1.5V)。

假設(shè)正向電流為加熱，則VCTL1>1.5V為加熱，電流的流向從OS2到OS1,OS1、OS2、CS這3個(gè)引腳的電壓關(guān)系為：VOS2>VOS1>VCS,反之則制冷。開關(guān)穩(wěn)壓器是按周期運(yùn)作的，以把功率傳輸?shù)揭粋€(gè)輸出端，這種轉(zhuǎn)換方法會(huì)在基頻及諧波上產(chǎn)生很大的噪聲分量，但是在MAX1968中是相位轉(zhuǎn)換并提供互補(bǔ)同相工作周期，所以紋波波形大大減小，抑制了紋波電流和電氣噪聲進(jìn)進(jìn)TEC模塊，進(jìn)而影響LD工作性能。FREQ用來設(shè)置內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率，當(dāng)FREQ接地頻率為500kHz時(shí)，F(xiàn)REQ接電源頻率為1MHz.MAX1968片內(nèi)帶有的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，減少了外部元件，芯片工作在較高的開關(guān)頻率下，可以用更小的電感和電容，從而減少PCB(印制電路板)的面積、降低本錢，對于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化與智能化具有極其重要的作用。利用MAX1968設(shè)計(jì)出的溫控系統(tǒng)如圖3所示：

1.3 電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊

實(shí)際操作中，電流難免會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，而這種波動(dòng)在某種程度上會(huì)嚴(yán)重影響半導(dǎo)體激光器的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎陌雽?dǎo)體激光器。因此在該激光驅(qū)動(dòng)器的電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊。如圖4所示。這個(gè)電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊主要由一個(gè)穩(wěn)壓二極管D6,瞬變二極管D7和電阻R29構(gòu)成。其中D7的主要作用是防止反向瞬變電壓的沖擊，即當(dāng)半導(dǎo)體激光器的兩端電壓發(fā)生突變時(shí)，半導(dǎo)體激光器兩端的電壓的變化不會(huì)太大。R29的作用是防止半導(dǎo)體激光器的兩端出現(xiàn)靜電。

如果系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器的兩端出現(xiàn)靜電，那么存在的靜電將會(huì)流過R29的兩端，這樣可以保證對于半導(dǎo)體激光器不會(huì)產(chǎn)生影響。

D6穩(wěn)壓二極管的作用則是穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器兩端的電壓。由圖可知，當(dāng)電壓超出預(yù)定電壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管將會(huì)被擊穿，電流會(huì)直接經(jīng)過穩(wěn)壓管所在的支路直接接地，而不會(huì)經(jīng)過半導(dǎo)體激光器所在的支路，這樣可以對半導(dǎo)體激光器起到穩(wěn)壓與保護(hù)的作用。[!--empirenews.page--]

2.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID算法設(shè)計(jì)

一般控制過程存在不同程度地非線性、大滯后、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，因而普通的PID控制器難以獲得滿意的控制效果。

系統(tǒng)采用模糊控制與PID控制器相結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制器。模糊控制是以人的思維判斷方法形成模糊控制規(guī)則，在模糊規(guī)則的基礎(chǔ)上以模糊量作為實(shí)際控制的依據(jù)。利用模糊控制給PID控制器在線自根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

該模糊控制器以采集到真實(shí)值out Y 與理想值in R 之間的偏差值E和偏差變化率EC為輸入變量，以PID的參數(shù)P K 、I K 和D K 為輸出變量。通過控制參數(shù)p K 、I K 和D K 的調(diào)節(jié)可對控制效果進(jìn)行調(diào)整，最佳的p K 、I K 、D K 值需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

2.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集和穩(wěn)定控制。圖6是主程序流程圖：

系統(tǒng)上電后首先初始化嵌入式微處理器和外設(shè)，其次設(shè)置中斷服務(wù)子程序，開中斷。主控芯片STM32F103VCT6使用內(nèi)部集成的ADC模塊，采集半導(dǎo)體激光器模塊當(dāng)前的溫度、功率的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。首先，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的溫度，根據(jù)實(shí)際溫度值與基準(zhǔn)值的偏差選擇相應(yīng)的操作，如果溫度偏差為負(fù)，則進(jìn)行提高反向電流的操作;如果溫度偏差為正，則進(jìn)行提高正向電流的操作。其次，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，根據(jù)實(shí)際功率值與基準(zhǔn)值的偏差選擇相應(yīng)的操作，如果功率偏差為負(fù)，則進(jìn)行增大驅(qū)動(dòng)電流的操作;如果功率偏差為正，則進(jìn)行減小驅(qū)動(dòng)電流的操作。通過溫度與功率的反復(fù)循環(huán)調(diào)節(jié)，逐漸使系統(tǒng)輸出達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，STM32通過串口把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)可以顯示半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)，并且上位機(jī)也可以向STM32發(fā)送相應(yīng)的指令，控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3.系統(tǒng)測試

根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)的光源驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖7所示。

系統(tǒng)選擇光強(qiáng)控制量為3.4mW,溫度控制量為0.4℃，計(jì)算機(jī)上位機(jī)以LabVIEW為操作控制界面。圖9和圖10分別為從LABVIEW顯示界面上顯示溫度和光強(qiáng)檢測圖。

對比可知，目標(biāo)量初始改變幅度較大，越接近目標(biāo)量時(shí)，步長越來越小，穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也比較短。當(dāng)進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)即輸入任意鍵值改變目標(biāo)量時(shí)，系統(tǒng)可正常運(yùn)行，達(dá)到了溫度控制精度±0.03℃，激光輸出功率穩(wěn)定度±0.002dB,可見該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)正確，且精度高。

4.結(jié)論

本文提出了基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，該方案中所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)采用低成本、低功耗的ARM微控制器STM32F103VCT6,驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968為核心器件，并以模糊PID計(jì)算控制量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器溫度控制精度高，性能穩(wěn)定，具有易于開發(fā)、高性價(jià)比和高集成度等優(yōu)點(diǎn)，滿足半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際工程上的應(yīng)用，具有很好的實(shí)用性。