吳 鋒，吳柏昆，余文志，帥 率，錢銀博

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

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基于STM32恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 鋒，吳柏昆，余文志，帥 率，錢銀博

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074)

隨著光纖傳感、光纖陀螺等技術(shù)的飛速發(fā)展，超輻射發(fā)光二極管(SLD)運(yùn)用場(chǎng)所也是越來(lái)越多，SLD光源的穩(wěn)定性對(duì)光纖傳感系統(tǒng)性能有及其重要的影響，為了提高光纖傳感的精度設(shè)計(jì)了一種基于STM32的恒電流恒溫度超輻射光源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了運(yùn)算放大器作為放大器件的恒流源電路技術(shù)方案確保電流穩(wěn)定性，使用了PID算法確保溫度控制電路穩(wěn)定性，具有良好觸摸屏控制的人機(jī)界面。文中對(duì)超輻射光源系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了具體闡述。測(cè)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)在正常溫度下一定工作時(shí)間內(nèi)都能保證SLD輸出功率穩(wěn)定在±0.01 dBm范圍內(nèi)，能夠很好符合相關(guān)需求。

STM32；超輻射發(fā)光二極管; 恒溫度；恒電流；穩(wěn)定性

0 引言

光纖傳感、光纖陀螺等精密測(cè)量?jī)x器儀表有靈敏度高、絕對(duì)測(cè)量和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1]，近年來(lái)有著飛速的發(fā)展，但隨著相應(yīng)的發(fā)展，如何提高精度和穩(wěn)定性成為現(xiàn)在面臨的問(wèn)題。提高光源的穩(wěn)定性是提高光纖傳感系統(tǒng)靈敏度的解決方法之一。光學(xué)系統(tǒng)的光源主要有發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和超輻射發(fā)光二極管(SLD)3種。其中，SLD是具有內(nèi)增益的非相干光發(fā)射半導(dǎo)體器件，其光學(xué)特性介于LD和LED之間。與一般LED相比，SLD的輸出發(fā)散角較小，功率較大，這為提高整個(gè)系統(tǒng)信噪比提供了基礎(chǔ)。與LD相比，SLD有較短的相干長(zhǎng)度，這有助于抑制光學(xué)系統(tǒng)中的相干散射噪聲，克爾效應(yīng)和偏振態(tài)耦合噪聲。因此越來(lái)越多的光纖傳感系統(tǒng)采用SLD作為系統(tǒng)光源[2]。然而SLD對(duì)環(huán)境溫度和驅(qū)動(dòng)電流十分敏感，如果沒(méi)有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，其輸出的光功率會(huì)隨著溫度和電流的漂移而變化，從而影響整個(gè)傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性[2]。因此設(shè)計(jì)恒溫恒流的SLD光源系統(tǒng)有著非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

系統(tǒng)選用采用Cortex-M3系列ARM器件作為處理器，選型為STM32F103VET6[3]。其最高主頻達(dá)到72 MHz，片內(nèi)集成2路12位DAC，和3路12位轉(zhuǎn)換速率1 MHz的ADC[4]。其豐富的外圍接口能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求和將來(lái)擴(kuò)展功能預(yù)想。系統(tǒng)框架如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體框圖

由圖1可知系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)為溫度控制電路和電流控制電路2部分，其中電流控制部分選用OPA569作為恒流源驅(qū)動(dòng)主芯片，其最大持續(xù)輸出電流超過(guò)2A滿足輸出功率要求，采用低溫度系數(shù)的高精度電阻和二極管器件，可以保證電流輸出精度。溫度控制電路部分選用功率驅(qū)動(dòng)器DRV591作為SLD內(nèi)部半導(dǎo)體致冷器(TEC)驅(qū)動(dòng)主芯片，其最大輸出電流為±3 A，內(nèi)部集成有H橋，可以以脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式驅(qū)動(dòng)負(fù)載，且能對(duì)異常狀態(tài)給出指示，能夠滿足較高精度溫度控制。系統(tǒng)其余部分包括供電充電電路模塊以及觸控LCD模塊等。

在恒溫恒流超輻射光源系統(tǒng)中，光源選用激光器。其驅(qū)動(dòng)電流與SLD輸出功率關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電流與SLD輸出功率曲線圖

該SLD最大輸出光功率為4.3 mW，中心波長(zhǎng)為1 559.6 nm，帶寬為49.3 nm。熱敏電阻可以用來(lái)監(jiān)測(cè)SLD的工作溫度，TEC可以用來(lái)調(diào)節(jié)SLD的工作溫度，使其輸出功率和光譜保持穩(wěn)定。該SLD在一定電流范圍內(nèi)，其電流和輸出光功率間有較好的線性關(guān)系。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源系統(tǒng)

電源是系統(tǒng)的基礎(chǔ),一個(gè)良好的電源設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。為了便于使用，超輻射光源系統(tǒng)采用較為常見的直流12 V電源適配器作為系統(tǒng)外部電源，同時(shí)采用2節(jié)串聯(lián)的鋰電池作為系統(tǒng)內(nèi)部電源，其標(biāo)準(zhǔn)電壓約7.2 V，滿充電壓約8.4 V。因此電路需要具有充電管理和電源路徑管理功能，并支持自動(dòng)切換電源供電。系統(tǒng)中各部分電路對(duì)電源的需求不同，所以相應(yīng)選取合適的線性電源和開關(guān)電源從而提供多路電源。系統(tǒng)具體電源電路模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)圖

如圖3所示數(shù)字電路與模擬電路緊密聯(lián)系在一起，且功耗相對(duì)都較小，為了保障模擬電路的性能，2部分電路都可以采用線性穩(wěn)壓的方式供電。數(shù)字電源和模擬電源采用常見的REG-1117作為3.3 V供電芯片。由于PID溫度控制電路在運(yùn)行過(guò)程中，可能引入較大電源噪聲，因此它不宜與其他電路共用同一路電源，并且其對(duì)電源紋波性能沒(méi)有嚴(yán)格要求，所以可以采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片TL1963提供3.3 V供電。激光器驅(qū)動(dòng)電路要求電源品質(zhì)良好，并且功率相對(duì)較大，所以應(yīng)選用功率較大的線性電源，在不同情況下電壓需求不同，所以可以采用可調(diào)線性電源LM2596，實(shí)際使用時(shí)設(shè)定為4.5 V。

2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)計(jì)SLD驅(qū)動(dòng)電路，著重考慮3方面的問(wèn)題。首先，電路應(yīng)具有穩(wěn)定的功率驅(qū)動(dòng)能力。如果電路輸出電流能力過(guò)小，SLD將不能達(dá)到需求的輸出光功率，系統(tǒng)信噪比也將受到限制，使用范圍必定受到限制。其次，電路必須要有安全可靠，必須設(shè)計(jì)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、浪涌靜電保護(hù)和高溫保護(hù)的相關(guān)保護(hù)電路，否則都有可能損壞SLD。最后，電路電流輸出必須保持穩(wěn)定，否則會(huì)影響SLD功率的輸出穩(wěn)定。

以運(yùn)算放大器作為放大核心器件的壓控恒流源電路設(shè)計(jì)思路為：采用小阻值精密電阻作為采樣電阻與負(fù)載串聯(lián)，將采樣電阻兩端電壓以反饋到放大電路輸入端實(shí)現(xiàn)輸出電流的反饋控制[5]，其示意圖如圖4所示。

圖4 典型壓控電流源示意圖

根據(jù)運(yùn)放“虛短虛斷”概念,當(dāng)電阻取值為R2=R4,R1=R3的情況下。該壓控電流源的輸出應(yīng)為：

Io=R2·(Vi-Vref)/R1·Rs

(1)

在硬件上主要對(duì)于SLD進(jìn)行了過(guò)流保護(hù)與電壓鉗位保護(hù)，對(duì)于電流過(guò)流保護(hù)，可以采用保險(xiǎn)元件結(jié)合電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式。選用了熔斷式保險(xiǎn)元件而非自恢復(fù)型保險(xiǎn)元件，當(dāng)輸出電流超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，熔斷后不能自我恢復(fù)，從而避免系統(tǒng)進(jìn)入開啟關(guān)閉交替的振蕩狀態(tài)，同時(shí)使用儀用放大器對(duì)采樣電阻兩端電壓進(jìn)行跟蹤放大并送入STM32進(jìn)行檢測(cè)，一旦出現(xiàn)電流異常，STM32能夠立即關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)，采用了穩(wěn)壓管和瞬態(tài)抑制二極管雙重保險(xiǎn)，這兩者都可以利用反向擊穿特性來(lái)將電壓鉗制在正常電壓范圍內(nèi)，可以防止電路的過(guò)壓與浪涌對(duì)SLD破壞。二者的不同之處是穩(wěn)壓管可以耐受較大的功率，但響應(yīng)速度較慢，響應(yīng)時(shí)間一般在毫秒級(jí)別，而瞬態(tài)抑制二極管具有相對(duì)較快的響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間一般在納秒級(jí)別，但不能耐受較大的功率。所以可以采取兩種特性互補(bǔ)的器件搭配使用的方法，來(lái)對(duì)SLD實(shí)現(xiàn)更完善的保護(hù)。

2.3 恒溫控制電路

恒溫控制與溫度保護(hù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一重要部分，如圖5所示SLD內(nèi)集成了有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，其設(shè)定溫度25°時(shí)，其阻值為10 kΩ，當(dāng)SLD內(nèi)部溫度失控上升到一定溫度下，熱敏電阻值不斷減小，當(dāng)其小于5.1 kΩ時(shí)比較器LM393輸出電平發(fā)生變化，從而STM32控制激光器驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，保護(hù)激光器工作在正常溫度下。

圖5 溫度監(jiān)測(cè)電路

SLD激光器內(nèi)部集成有TEC，對(duì)其進(jìn)行正向或反向通電，可分別對(duì)SLD實(shí)現(xiàn)制冷與加熱作用。通過(guò)激光器內(nèi)部熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)SLD溫度情況并對(duì)TEC功率進(jìn)行反饋控制，可以使SLD的工作溫度維持穩(wěn)定。

圖6 溫度控制電路工作流程圖

圖6為溫度控制電路示意圖，溫控電路一般為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由溫度傳感電路、儀用放大電路、PID控制電路、DRV591驅(qū)動(dòng)電路與TEC等環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中難點(diǎn)為的是PID控制電路[6]，PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法。比例P反應(yīng)系統(tǒng)的基本偏差，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；積分I反應(yīng)系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度；微分D反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用。對(duì)于不同系統(tǒng)，PID系數(shù)也不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況估算，通過(guò)對(duì)恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)仿真和實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)定，選取合適的電阻電容值數(shù)值作為PID系統(tǒng)參數(shù)，其系統(tǒng)參數(shù)和PID控制電路如圖7所示。

圖7 PID控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序利用STM32的固件函數(shù)庫(kù)在Keil uVision4開發(fā)平臺(tái)下采用C語(yǔ)言編寫，Keil開發(fā)環(huán)境完全支持ARM Cortex M3系列處理器，集成編譯器、匯編器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、項(xiàng)目管理器、調(diào)試器等，便捷高效[7]。系統(tǒng)程序模塊化設(shè)計(jì)，由初始化程序、觸控LCD通信程序、激光器驅(qū)動(dòng)程序、激光器溫控程序、電池電量測(cè)試程序等組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

STM32主控芯片通過(guò)UART串口通信模式與觸控LCD屏幕控制芯片通信，系統(tǒng)操作人員通過(guò)配置觸控屏幕顯示參數(shù)可以修改STM32中寄存器相關(guān)電流溫控參數(shù)，從而控制系統(tǒng)電流與溫控。

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)文中所述的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)完成的恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)的實(shí)物如圖9所示。

圖9 恒流恒溫超輻射光源實(shí)物圖

在室溫18 ℃條件下，設(shè)定不同驅(qū)動(dòng)電流測(cè)試恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同驅(qū)動(dòng)電流下SLD輸出功率表

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在室溫條件下，使用不同驅(qū)動(dòng)電流測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)在正常溫度下一定工作時(shí)間內(nèi)都能保證SLD輸出功率穩(wěn)定在±0.01dBm范圍內(nèi)。另外對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了從0℃到40℃每5℃持續(xù)20min的溫度循環(huán)試驗(yàn)，表明系統(tǒng)在0℃到40℃范圍內(nèi)都有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)能夠滿足方案設(shè)計(jì)需求和實(shí)際工程運(yùn)用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了使用STM32F103VET6作為主控芯片，以O(shè)PA569作為恒流電路驅(qū)動(dòng)主芯片，功率驅(qū)動(dòng)器DRV591作為溫控電路驅(qū)動(dòng)主芯片基礎(chǔ)的恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)方案。給出了系統(tǒng)的總體框架圖，闡述了各個(gè)重要系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計(jì)和主要的軟件流程圖。最后完成系統(tǒng)實(shí)物的搭建和測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了設(shè)計(jì)方案的可行性和準(zhǔn)確性，滿足光源輸出光功率恒定的需求。恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)現(xiàn)已在實(shí)驗(yàn)室日常光纖傳感實(shí)驗(yàn)中作為系統(tǒng)光源得到應(yīng)用。

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Design of Constant Current and Constant Temperature System ofSuper Luminescence Diode Based on STM32

WU Feng, WU Bo-kun, YU Wen-zhi, SHUAI Shuai, QIAN Yin-bo

(College of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

With the rapid development of optical fiber sensor and optical fiber gyro, there is a widely need of super luminescence diode (SLD). The stability of SLD light source has important influence on the performance of optical fiber sensing system. A constant current and constant temperature system based on STM32 was designed in order to improve precision of the system. The method of taking operational amplifier as device for constant current source circuit technology was used to ensure the current stable. And the PID controller was used to ensure the stability of the temperature. The system also had well touchscreen-controlled human interface. This paper made a specific description about the hardware and software of the constant current and constant temperature system. The experimental results prove that the system can ensure the output power of the SLD within the scope of ±0.01 dBm in the appropriate temperature ,thus meeting the correlation requirements well.

STM32; super luminescence diode; constant current; constant temperature; stability

2014-11-20 收修改稿日期：2015-03-08

TN29

A

1002-1841(2015)08-0082-03

吳鋒(1990—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆娦盘?hào)處理，光纖傳感技術(shù)。E-mail：wufeng94wo@sina.com

錢銀博(1982—)，博士后，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感及光電測(cè)試儀器儀表設(shè)計(jì)。E-mail: qianyinbo@hust.edu.cn