EMCCD冷指溫度控制系統(tǒng)*

袁尤西，李彬華，程向明，金建輝

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650500；2.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南昆明 650011）

EMCCD冷指溫度控制系統(tǒng)*

袁尤西1，李彬華1，程向明2，金建輝1

（1.昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南昆明 650500；2.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南昆明 650011）

為了對(duì)EMCCD冷指溫度進(jìn)行精確的控制，介紹了一種新的溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用鉑電阻Pt1000作為溫度敏感元件，AD7705作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，以單片機(jī)STC89C52為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與加熱控制功能。溫度數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)的液晶屏上實(shí)時(shí)顯示，也可通過RS232串口傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，分別采用了20 V和18.5 V的電源電壓對(duì)EMCCD冷指進(jìn)行加熱。測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明，該系統(tǒng)能將EMCCD冷指溫度控制在一個(gè)設(shè)定低溫值（如-100℃）附近，系統(tǒng)誤差在0.006 8℃以內(nèi)。

CCD；制冷；溫度檢測(cè)；單片機(jī)；統(tǒng)計(jì)分析

暗電流是指在沒有光照情況下，半導(dǎo)體光電成像器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱電流［1］。它的存在會(huì)對(duì)光電器件的成像質(zhì)量造成一定的影響，例如，當(dāng)CCD器件在暗電流特別大（即暗電流尖峰）時(shí)，對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像上將會(huì)出現(xiàn)白斑［2］。暗電流的大小與半導(dǎo)體器件工作時(shí)的溫度有關(guān)，一般每降低5～7℃，暗流就減小一半［3-4］。使用天文CCD相機(jī)時(shí)，必須將暗電流控制在盡量小的范圍內(nèi)［1］。通常的做法是對(duì)微光探測(cè)或者長(zhǎng)曝光相機(jī)中的CCD器件進(jìn)行深度制冷并維持在一個(gè)合理的溫度范圍。因此，天文用相機(jī)需要對(duì)CCD冷指溫度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制。

目前，科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)制冷通常采用3種方法：熱電制冷、壓縮機(jī)制冷和液氮制冷。由文［5-6］作者對(duì)熱電制冷（Thermo-Electric Cooling，TEC）分析可知，熱電制冷雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的場(chǎng)合。CryoTiger cooling壓縮循環(huán)制冷可以深度制冷并維持在-130℃［7］，但由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本也較高，并沒有廣泛使用［5］。液氮制冷則具有較大的制冷范圍，操作簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟［8-10］等諸多優(yōu)點(diǎn)，是天文用CCD相機(jī)中使用較多的制冷方法。

溫度傳感器種類較多，但在CCD相機(jī)中，常用且較為簡(jiǎn)單的小型二端器件有二極管和鉑電阻。二極管作為溫度檢測(cè)敏感元件的前提條件相對(duì)苛刻：只有當(dāng)二極管電流保持不變的時(shí)候，PN結(jié)正向壓降V才隨溫度T的上升而下降，近似成線性關(guān)系［9］；云南天文臺(tái)1號(hào)CCD相機(jī)和Lick NewCam CCD控制器就采用二極管作為溫度檢測(cè)元件［10］。鉑電阻Pt100和Pt1000，測(cè)溫范圍大，測(cè)溫精度高，具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性［11-12］，廣泛用于工業(yè)測(cè)溫等各方面。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)天文探測(cè)器技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和昆明理工大學(xué)天文電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)CCD相機(jī)就采用了鉑電阻作為溫度檢測(cè)元件。

本文根據(jù)天文光子計(jì)數(shù)成像對(duì)EMCCD冷指制冷的要求，設(shè)計(jì)制作了一套EMCCD冷指機(jī)構(gòu)，提出一種新的制冷溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次實(shí)測(cè)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 EMCCD冷指設(shè)計(jì)

本文所用EMCCD器件采用液氮制冷。EMCCD器件貼裝在冷指正面，正常工作時(shí)需要將其溫度控制在-100℃附近，這樣可以極大的降低暗電流引起的噪聲。

銅和鋁都是熱的良導(dǎo)體。與鋁相比較，銅導(dǎo)熱稍好但重量稍重。在CCD相機(jī)的冷指機(jī)構(gòu)中，銅質(zhì)材料使用最多，但也有使用鋁材的例子［13］。為了減小CCD冷指給CCD電路板帶來的重力影響，在本設(shè)計(jì)中，EMCCD冷指選用金屬鋁制作。在綜合考慮EMCCD器件尺寸、電路板結(jié)構(gòu)和所用杜瓦瓶?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)和空間布局后，完成了該EMCCD冷指及其支撐部件的設(shè)計(jì)和加工制作，冷指外形如圖1。

圖1 EMCCD冷指示意圖Fig.1 Sketch Drawing of the EMCCD cold finger

圖中標(biāo)號(hào)1是安裝Pt1000的凹槽，體積略大于鉑電阻Pt1000體積；標(biāo)號(hào)2是安裝加熱電阻的通孔，體積略大于1/4W金屬膜電阻體積，但不破壞制冷銅帶安裝螺孔；標(biāo)號(hào)3是CCD冷指安裝在PCB板上的螺孔，每個(gè)角上各有1個(gè)，共4個(gè)；標(biāo)號(hào)4是安裝制冷銅帶的螺孔。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

EMCCD冷指溫度控制系統(tǒng)以MCU為核心，其周邊硬件電路部分主要由PT1000電阻網(wǎng)絡(luò)、ADC模塊、RS232通信接口以及加熱電路模塊等組成，系統(tǒng)框圖如圖2。

圖2 溫度控制系統(tǒng)框圖

Fig.2 Block Diagram of the temperature control system

冷指溫度檢測(cè)采用PT1000作為溫度敏感器件，與溫度相關(guān)的參量經(jīng)過AD7705轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入MCU中進(jìn)行暫存、校準(zhǔn)計(jì)算和顯示，并與溫度閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果對(duì)溫度加熱電路進(jìn)行相應(yīng)的控制。此外，上位機(jī)（即PC）可以通過RS232接口設(shè)置冷指控制溫度，MCU可以將溫度數(shù)據(jù)通過RS232接口傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并可保存至硬盤。

2.1 溫度檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用鉑電阻Pt1000作為溫度敏感器件，它是一種利用金屬鉑（Pt）的阻值隨溫度變化而變化的物理特性制成的溫度傳感器［14］。以鉑電阻作為CCD冷指溫度測(cè)量的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地測(cè)定出鉑電阻阻值。本設(shè)計(jì)中所采用HAYASHIDENKO公司生產(chǎn)的符合IEC751標(biāo)準(zhǔn)的Pt1000鉑電阻，其溫度系數(shù)TCR=0.003 851。由Pt1000的應(yīng)用手冊(cè)可知，這種鉑電阻在不同溫度下阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

式中，Rt是在t℃ 時(shí)的阻值；R0是在0℃時(shí)的阻值。當(dāng)TCR=0.003 851時(shí)，參數(shù)a、b、c的值如表1。

表1 TCR=0.003 851時(shí)，系數(shù)a、b、c值Table 1 The values of the parameters a，b，and c for TCR=0.003 851

本設(shè)計(jì)中將Pt1000與3個(gè)阻值相同的電阻和1個(gè)電位器共同構(gòu)成電橋，用于檢測(cè)CCD冷指端溫度。如圖3。其中Pt1000采用二線制接法，電位器Rv用于調(diào)整起始平衡點(diǎn)。在R1=R2=R3，Rv的值相對(duì)不變的情況下，鉑電阻Pt1000的阻值隨溫度的變化而改變，進(jìn)而引起電壓值 V（AIN1+，AIN1-）的變化。通過推導(dǎo)，可得V（AIN1+，AIN1-）值與Pt1000的關(guān)系為

式中，RPt1000是鉑電阻在某一溫度值下對(duì)應(yīng)的阻值； V（AIN1+，AIN1-）是與鉑電阻阻值相對(duì)應(yīng)的電壓值；Rv'是電位器引入電橋中的阻值，在實(shí)際過程中用萬用表測(cè)量得到。

圖3 Pt1000電橋Fig.3 Pt1000measurement bridge

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

AD7705是一種適合低頻信號(hào)測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有2個(gè)全差分輸入通道AIN1，AIN2，能將外部引入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出。它具有16位無丟失代碼，0.003％非線性，可編程增益前端（PGA），三線串行接口及對(duì)模擬輸入具有緩沖等特點(diǎn)［15］。

本設(shè)計(jì)中，AD轉(zhuǎn)換電路主要由AD7705構(gòu)成，選用差分通道AIN1，輸入雙極性信號(hào)，同時(shí)將利用它內(nèi)部集成的PGA實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)的放大功能。

利用AD7705實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路原理如圖4。在實(shí)際工作時(shí)需要通過MCU對(duì)其進(jìn)行初始化與通道配置，其流程如圖5。在測(cè)量過程中，誤差的主要來源除了鉑電阻的誤差外，還取決于A/D轉(zhuǎn)換器件參考電壓REFIN+的精度。為了使誤差進(jìn)一步降低，本設(shè)計(jì)中選用REF192作為A/D器件轉(zhuǎn)換的參考電壓，其誤差范圍低于±2mV［16］。并且通過單片機(jī)內(nèi)部的算法處理，將誤差降低至理想范圍。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 A/D conversion circuit

圖5 AD7705初始化與配置Fig.5 Flowchart of the initialization and configuration for AD7705

2.3 開關(guān)控制電路

實(shí)現(xiàn)EMCCD冷指溫度調(diào)節(jié)（即加熱）功能的電路原理如圖6。在控制電路中加入光電耦合器件TLP521可將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，同時(shí)起保護(hù)MCU的作用。電阻R15為EMCCD冷指加熱執(zhí)行電阻，其阻值選用200Ω。工作時(shí)，DV+20 V一直處于上電狀態(tài)。

當(dāng)EMCCD冷指的溫度低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，MCU將使引腳HeatControl置為高電平。從圖6可知，當(dāng)引腳HeatControl為高電平時(shí)，TLP521截止，使達(dá)林頓管MJD112飽和導(dǎo)通，電流通過加熱電阻R15，提供約2W的加熱功率，從而對(duì)EMCCD冷指加熱。

3 程序設(shè)計(jì)

MCU采用STC89C52單片機(jī)［17］作為整個(gè)電路的主控制器件，完成系統(tǒng)與上位機(jī)（即PC）的數(shù)據(jù)通信、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的配置、溫度數(shù)據(jù)的采樣與處理、EMCCD冷指加熱開關(guān)控制等任務(wù)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作除了上一節(jié)介紹的硬件電路設(shè)計(jì)之處，還涉及上位機(jī)和下位機(jī)的控制與數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)。

圖6 EMCCD冷指加熱開關(guān)控制電路Fig.6 Switch-control circuit for heating the EMCCD cold finger

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用RS232串行通信方式進(jìn)行。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有COM號(hào)設(shè)置、波特率設(shè)置、目標(biāo)溫度設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)顯示、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。上位機(jī)軟件初始設(shè)置默認(rèn)串口號(hào)為COM1、波特率為9600、目標(biāo)控制溫度為-100℃。采用Visual C++進(jìn)行上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。由于該軟件要實(shí)現(xiàn)的是幾個(gè)比較通用且簡(jiǎn)單的功能，使用MFC很容易實(shí)現(xiàn)，在此就不再進(jìn)行介紹了。

3.2 MCU代碼

溫控系統(tǒng)工作時(shí)，下位機(jī)通過串口及其默認(rèn)的端口設(shè)置，可接收上位機(jī)指令，并可按上位機(jī)的要求重新對(duì)COM口及其波特率進(jìn)行設(shè)置。另外，還可實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的冷指目標(biāo)溫度設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)上傳等功能。不過，溫控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的最重要功能是冷指溫度的測(cè)量與控制。因此，下面重點(diǎn)介紹溫度數(shù)字化過程與控制要求，及其與之相關(guān)的MCU程序設(shè)計(jì)方案。

A/D每完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，引腳DRDYn自動(dòng)置成低電平，從而使單片機(jī)進(jìn)入外部中斷處理函數(shù)。為了避免偶發(fā)性干擾，尤其是給冷指加熱的達(dá)林頓開關(guān)管在截止或?qū)〞r(shí)刻數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的跳變，對(duì)AD采樣數(shù)據(jù)作如下處理：

（1）將連續(xù)采樣到的16個(gè)Pt1000的阻值，去掉最大值與最小值；（2）將其余14個(gè)Pt1000進(jìn)行均值濾波處理，并返回Pt1000阻值；（3）將返回的Pt1000阻值，結(jié)合（1）、（2）式調(diào)用溫度值計(jì)算函數(shù)把Pt1000阻值轉(zhuǎn)換成EMCCD冷指溫度值。

另外，為了消除系統(tǒng)誤差，先根據(jù)文［4］的方法，測(cè)出冰水混合物的溫度TRL。然后根據(jù)文［18］的方法并參考Google Earth提供的本地（即實(shí)驗(yàn)室）海拔高度數(shù)據(jù)，計(jì)算純凈水沸騰時(shí)的溫度TRH。最后對(duì)實(shí)測(cè)溫度用如下公式進(jìn)行定標(biāo)：

式中，TC是定標(biāo)后的溫度值；TP'是未定標(biāo)時(shí)系統(tǒng)采樣Pt1000電阻值計(jì)算得出的溫度值；TPH是未定標(biāo)時(shí)系統(tǒng)所測(cè)得冰水混合物溫度值；TPL是未定標(biāo)時(shí)系統(tǒng)所測(cè)得沸水溫度值。

在測(cè)定了冷指實(shí)時(shí)溫度后，MCU下一步的工作就是進(jìn)行冷指溫度控制。如果實(shí)測(cè)溫度低于系統(tǒng)設(shè)定的EMCCD冷指溫度閾值，則使引腳HeatControl置高電平，系統(tǒng)對(duì)冷指加熱；否則HeatControl置低電平，冷指溫度將在液氮作用下繼續(xù)下降。

根據(jù)上述溫度數(shù)據(jù)的定標(biāo)和控制過程設(shè)計(jì)的MCU程序的相應(yīng)流程如圖7。

4 制冷實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

首先，對(duì)需要安裝于杜瓦瓶?jī)?nèi)的冷指、電路板及其它附件進(jìn)行潔凈處理。然后將Pt1000安裝在圖1中標(biāo)號(hào)1的位置，加熱電阻R15固定在圖1中的標(biāo)號(hào)2的通孔內(nèi)，銅帶用螺栓固定在圖中標(biāo)號(hào)4的螺孔處，銅帶另一端與液氮罐轉(zhuǎn)接銅塊連接，最后將冷指固定于PCB板上。安裝后的俯視效果如圖8。

圖7 溫度定標(biāo)與控制流程圖Fig.7 Flowchart of the temperature calibration and control

圖8 EMCCD冷指安裝效果Fig.8 The EMCCD cold figuremounted in a dewar

安裝完畢后，將PFEIFFER真空泵與杜瓦瓶連接上，可以將該杜瓦瓶真空度抽至10-6mbar量級(jí)。之后，通過液氮注入裝置將液氮加入到杜瓦瓶?jī)?nèi)，CCD冷指通過銅帶與液氮進(jìn)行熱交換。與此同時(shí)，將EMCCD冷指溫度控制系統(tǒng)上電，并運(yùn)行上位機(jī)上的控制與采集軟件，進(jìn)行冷指控制溫度設(shè)置，并開始采集、顯示和記錄冷指溫度數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)試結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析

為了使數(shù)據(jù)具有對(duì)比性，測(cè)試實(shí)驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行，即分別采用20 V和18.5 V電壓對(duì)EMCCD冷指進(jìn)行加熱。上位機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的記錄速率為每秒1次。為了使數(shù)據(jù)方便分析，每組采集20 000個(gè)數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間長(zhǎng)度大約為5.5 h。兩種情況下所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的Matlab圖形化結(jié)果如圖9。圖10為兩種情況下的溫度數(shù)據(jù)分布的直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖9 兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison of the two sets of test data

圖10 溫度數(shù)據(jù)直方圖Fig.10 Histograms for the two sets of temperature data

從直方圖中可以看出，在加熱電壓為20V、18.5V時(shí)，溫度值主要分布在［-100.03℃，-99.97℃］之間，并占數(shù)據(jù)總量的絕大多數(shù)。

為了探究系統(tǒng)的控制精度，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2。從表2中的平均溫度可以看出，加熱電壓為20V時(shí)，實(shí)測(cè)溫度平均值為-99.999 0℃，與目標(biāo)控制溫度（-100℃）的系統(tǒng)誤差為0.001℃；加熱電壓為18.5V時(shí)，實(shí)測(cè)平均溫度為-100.006 8℃，與目標(biāo)控制溫度的系統(tǒng)誤差為0.006 8℃。這兩個(gè)結(jié)果都比Lick NewCam CCD控制器在液氮制冷時(shí)的溫度控制誤差（0.05℃［7］）要小。另外，從表中的測(cè)量溫度標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，加熱電壓為20 V時(shí)的溫度波動(dòng)比加熱電壓為18.5 V時(shí)的溫度波動(dòng)范圍稍小。

表2 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics of the two sets of temperature data

5 結(jié)論

以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析表明，加熱電壓在18.5 V～20 V之間，該系統(tǒng)基本上能將EMCCD冷指溫度控制在-100±0.04℃的范圍之內(nèi)，與目標(biāo)控制溫度的系統(tǒng)誤差小于0.006 8℃。這說明EMCCD冷指及其支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、溫度控制電路與軟件設(shè)計(jì)是合理的，系統(tǒng)的溫度檢測(cè)與控制達(dá)到了天文CCD相機(jī)控制器的要求。

致謝：感謝昆明理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心尹洪友、于立偉、張明三位老師在冷指及其附件機(jī)械加工等方面給予的大力幫助。

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A Tem perature Control System of an EMCCD Cold Finger

Yuan Youxi1，Li Binhua1，Cheng Xiangming2，Jin Jianhui1
（1.College of Information Engineering and Automation，University of Science and Technology of Kunming，Kunming 650500，China，Email：lbh@bao.ac.cn；2.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China）

An EMCCD is a highly sensitive CCD image sensor.At certain high operating temperature dark currents are generated in an EMCCD，reducing the signal-to-noise ratios of images taken by the device.For this reason，the operating temperature needs to be kept as low and stable as possible.This is accomplished by regulating the temperature of a CCD cold finger.The paper presents a new design of a temperature detection and control system of a cold finger.To fit the actual situation，we use certain aluminum material tomake an EMCCD cold finger.This paper shows its structure and assembly steps.A platinum resistor Pt1000 is used as a temperature sensor，which is combined with three resistors of the same type and a potentiometer to constitute a bridge gauge.Based on the characteristics of the platinum resistor and the network structure of the bridge gauge，we deduced the formula for temperature detection.An AD7705 is used as an analog-to-digital converter，and amicrocontroller STC89C52 serves as themaster controller to acquire temperature data from the A/D converter and to control the process of heating the cold finger.The temperature data sampled and calibrated by the microcontroller can be displayed in real time on an LCD，and sent to a PC through the RS232 serial port for display and storage.In addition，the paper gives the temperature-data processing algorithm and the scheme of calibration（for eliminating systematic errors）.We have conducted two test experiments，in which power supplies of 20V and 18.5V are used in the heating circuit，respectively.The statistical analysis of the test data shows that the temperature of the EMCCD cold finger can be controlled in the vicinity of a given low temperature（i.e.，-100℃）and the absolute error can be less than 0.006 8℃.These results show that the EMCCD cold finger，its supporting mechanism，the temperature control circuit，and the software are well designed，making the detection and control of the temperature of the system meeting the requirements for an astronomical CCD camera controller.

CCD；Refrigerating；Temperature detection；MCU；Statistical analysis

TP274.2

：A

：1672-7673（2013）03-0293-08

國(guó)家自然科學(xué)天文聯(lián)合基金（10978013）資助.

2012-09-14；修定日期：2012-09-27

袁尤西，男，碩士.研究方向：成像技術(shù).Email：yxyuan-sz@163.com

李彬華，男，教授.研究方向：天文技術(shù)與方法.Email：lbh@bao.ac.cn

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673