MSP430智能數(shù)字化SLED控制系統(tǒng)解析

自1971年Kurbativ等人首次制備出半導(dǎo)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(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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)穩(wěn)定電流和溫度，間接來(lái)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(guò)內(nèi)部的PID控制程序，通過(guò)DAC2輸出一個(gè)電壓來(lái)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(lái)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(guò)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(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(kāi)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(wèn)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(kāi)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^(guò)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)