高精度半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高平東，張法全

高精度半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高平東，張法全*

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，桂林541004）

為了使半導(dǎo)體激光器輻射波長和發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定性不受環(huán)境溫度的影響，設(shè)計(jì)了一款高精度半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)。采用AD620和LTC1864芯片設(shè)計(jì)了溫度采集電路，用MAX1968和LTC1655設(shè)計(jì)了溫度控制電路，而用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精確控制；提出了自適應(yīng)模糊比例-積分-微分控制策略并完成了軟件實(shí)現(xiàn)。在環(huán)境溫度約15℃時(shí)，分別設(shè)定25℃和20℃進(jìn)行試驗(yàn)，溫度控制精度達(dá)±0.05℃。結(jié)果表明，該溫控系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高。

光電子學(xué)；溫度控制；模糊比例-積分-微分算法控制；半導(dǎo)體激光器

引 言

隨著半導(dǎo)體激光器（laser diode，LD）在通訊、醫(yī)療和測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出波長的穩(wěn)定性提出了更高的要求。但由于LD的輸出波長極易受溫度的影響，溫度改變1℃輸出波長改變0.3nm～0.4nm，因此對(duì)LD的溫度的穩(wěn)定性也提出了更高的要求，LD溫度的精確控制成為研究的重點(diǎn)［1-2］。在以往的溫度控制系統(tǒng)中，最常用的控制算法是直接比例-積分-微分（proportion-integration-differentiation，PID）算法。但由于溫控對(duì)象LD具有滯后性、控制參量的非線性等因素的影響，無法確定Kp，Ki和Kd參量的固定值，因此傳統(tǒng)的PID控制算法難以滿足要求。另外還有相差識(shí)別的方法，但進(jìn)行溫度控制都出現(xiàn)了過沖現(xiàn)象［3］。而自適應(yīng)模糊PID算法是一種人工智能算法，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠自動(dòng)適應(yīng)受控對(duì)象，并融入人工控制的經(jīng)驗(yàn)決策。通過模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)PID參量Kp，Ki和Kd的實(shí)時(shí)調(diào)整。此算法具有傳統(tǒng)PID算法的精簡(jiǎn)性、可實(shí)現(xiàn)性、穩(wěn)定性等高精度控制的優(yōu)點(diǎn)，并且又融入了人工智能算法的靈活性、適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)［4-5］。

作者基于自適應(yīng)模糊PID控制算法，設(shè)計(jì)了一款半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足了半導(dǎo)體激光器溫度控制的精度要求。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)PID控制器設(shè)計(jì)要求，應(yīng)由執(zhí)行單元、控制單元、反饋單元三部分組成。本設(shè)計(jì)中結(jié)合激光器精度的要求，采用數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor，DSP）TMS320F2812為溫控系統(tǒng)的控制單元［6］，該芯片為高性能的定點(diǎn)處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制算法的計(jì)算。采用半導(dǎo)體致冷器（thermoelectric cooler，TEC）與溫度控制電路組成溫控系統(tǒng)的執(zhí)行單元，TEC根據(jù)流過電流的大小和方向，對(duì)LD進(jìn)行制冷或加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD的溫度控制。采用熱敏電阻與溫度采集電路組成溫控系統(tǒng)反饋單元，熱敏電阻根據(jù)阻值不同，反映LD的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD的溫度測(cè)量。本系統(tǒng)的控制對(duì)象半導(dǎo)體激光器選用的是含有TEC和熱敏電阻一體式的激光器，這可以使TEC與熱敏電阻進(jìn)行充分的接觸。

整個(gè)系統(tǒng)是以DSP實(shí)時(shí)采集LD的溫度值經(jīng)過控制算法的計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整TEC的電流大小與方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度控制。該半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

Fig.1 System structure diagram

1.1溫度采集電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器的溫度是通過熱敏電阻阻值反映出來的［7］，因此測(cè)量溫度實(shí)際是測(cè)量熱敏電阻的阻值。設(shè)計(jì)中使用的是具有負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient，NTC）、20kΩ的熱敏電阻，與3個(gè)20kΩ的精密電阻組成電橋，然后由運(yùn)放AD620進(jìn)行信號(hào)放大，最后送至A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2所示。A／D轉(zhuǎn)換器采用的是16位的LTC1864，轉(zhuǎn)換速率為250kilo-sample／s，I／O口為采用串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）。DSP讀取A／D轉(zhuǎn)換值，通過溫度與熱敏電阻阻值之間的關(guān)系計(jì)算出半導(dǎo)體激光器的溫度。

Fig.2 Signal adjustment circuit

1.2溫度控制電路設(shè)計(jì)

溫度控制電路是由TEC與TEC驅(qū)動(dòng)電路組成。TEC是利用珀?duì)柼?yīng)來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體器件溫度的。通過在TEC兩端加單向電流，TEC的一端出現(xiàn)發(fā)熱，而另一端則致冷；改變電流的方向則置換發(fā)熱端與致冷端，流過電流的大小決定TEC的制冷或加熱的效率［8］。傳統(tǒng)的TEC驅(qū)動(dòng)電路容易出先死區(qū)現(xiàn)象，使得溫度在設(shè)定溫度的上下擺動(dòng)。設(shè)計(jì)中采用的TEC驅(qū)動(dòng)器是無死區(qū)控制的MAX1968控制芯片，該芯片可以單電源工作，內(nèi)部集成了場(chǎng)效應(yīng)管可以直接驅(qū)動(dòng)TEC，具有超低漂流的斬波穩(wěn)定放大器，雙極性正負(fù)3A的電流輸出范圍可使TEC選擇制冷或制熱。雙極性輸出實(shí)現(xiàn)無死區(qū)溫度控制，避免了輕載電流時(shí)的非線性問題。改變MAX1968的CTL1引腳上的電壓實(shí)現(xiàn)線性的調(diào)節(jié)輸出電流。設(shè)計(jì)中通過DSP控制D／A轉(zhuǎn)換頻器輸出一個(gè)模擬電壓，精確控制通過TEC上的電流方向與大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度調(diào)控。D／A轉(zhuǎn)換器選用16位的LTC1655，轉(zhuǎn)換率為750kHz，串行接口方式。

1.3人機(jī)接口設(shè)計(jì)

人機(jī)接口由按鍵、LCD顯示和串口組成。通過按鍵設(shè)定目標(biāo)溫度，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定溫度值；通過串口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度值上傳到PC機(jī)，用于調(diào)試分析溫控系統(tǒng)。

2 自適應(yīng)模糊PID控制設(shè)計(jì)

為了滿足半導(dǎo)體激光器溫度控制的精度，設(shè)計(jì)中采用2維模糊控制器、MamDani推理方法，結(jié)構(gòu)如圖3所示。兩輸入分別為設(shè)定的溫度與反饋溫度偏差E（t）以及偏差的變化率Ec；輸出為PID控制器參量調(diào)節(jié)系數(shù)ΔKp，ΔKi和ΔKd。系統(tǒng)根據(jù)不同時(shí)刻的E（t），Ec值經(jīng)模糊控制器推理，對(duì)PID控制器參量進(jìn)行自整定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模糊控制［8］。

Fig.3 Structure of adaptive fuzzy PID control

2.1變量的論域確定

在模糊控制系統(tǒng)運(yùn)行中，要求控制器的輸入值、輸出值是精確量，模糊推理過程是通過模糊語言變量進(jìn)行的，在精確量和模糊量之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種把物理量的精確量轉(zhuǎn)換成模糊語言變量值的過程叫做清晰量的模糊化，由模糊控制器的模糊化接口實(shí)現(xiàn)［9］。其輸入為變量的測(cè)量值，輸出為與輸入值對(duì)應(yīng)的隸屬度值。在本設(shè)計(jì)中以偏差E（t）和偏差的變化率Ec作為輸入變量，ΔKp，ΔKi和ΔKd作為輸出變量。考慮到控制的精度要求，輸入輸出各量的論域都為［－3，3］，語言變量選｛PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB｝。考慮到對(duì)論域的覆蓋程度和靈敏度、穩(wěn)定性、魯棒性的原則，本系統(tǒng)中所選擇的隸屬函數(shù)均為三角形分布。

2.2控制規(guī)則設(shè)計(jì)

自適應(yīng)模糊控制算法的關(guān)鍵是控制策略的設(shè)定，控制策略的核心是融入實(shí)踐中操作者的經(jīng)驗(yàn)［10］。在實(shí)際應(yīng)用中，由于TEC的熱慣性會(huì)導(dǎo)致LD在工作時(shí)溫度的過沖，使得LD的溫度很難快速地達(dá)到穩(wěn)定溫度。在設(shè)定溫度值附近，由于TEC驅(qū)動(dòng)的不確定性等難于用精確的算法描述。在設(shè)計(jì)中，通過對(duì)控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抽象化模糊化建立模糊控制規(guī)則。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則表，以E（t）和Ec作為輸入語言變量，ΔKp，ΔKi和ΔKd作為輸出語言變量，如表1所示。根據(jù)模糊規(guī)則表實(shí)現(xiàn)模糊推理，進(jìn)而調(diào)節(jié)PID控制器的參量。

Table 1 Fuzzy rule table ofΔKp，ΔKiandΔKd

2.3軟件實(shí)現(xiàn)

模糊控制器的控制算法由DSP軟件實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)中為了減少控制計(jì)算量，對(duì)每種輸入狀態(tài)下的模糊控制輸出，用最大隸屬度決策算法，將模糊控制輸出轉(zhuǎn)化為精確的實(shí)際輸出值，建立一個(gè)對(duì)應(yīng)表，通過查詢方式得到實(shí)際輸出值［11］。輸入狀態(tài)的改變量是通過兩次采樣間隔得到的。為了實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制，應(yīng)使輸入狀態(tài)E（t），Ec的改變量不能太小也不能太大。通過實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的采樣時(shí)間定為20ms。整個(gè)控制計(jì)算在中斷程序中實(shí)現(xiàn)，中斷周期為20ms，流程圖如圖4所示。進(jìn)入中斷后連續(xù)讀10次溫度值求平均，提高溫度的測(cè)量精度，并把當(dāng)前的溫度通過串口上傳到PC，用于對(duì)溫控系統(tǒng)性能分析。

Fig.4 Software flow diagram

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)中使用約克T.T.I.22精密測(cè)溫儀對(duì)LD進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫儀探頭使用導(dǎo)熱硅脂封裝在LD銅箔下層的中央處。該儀器分辨精度可達(dá)0.0001℃。

實(shí)驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度在15℃左右，上下浮動(dòng)不大于1℃，被控制激光器的輸出功率為500mW，正常工作溫度在18℃～30℃。在上述環(huán)境下，不進(jìn)行溫度控制時(shí)，激光器的溫度變化數(shù)據(jù)如表2所示。

Table 2 Laser temperature variation without temperature control

使用測(cè)溫儀對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過設(shè)定目標(biāo)溫度進(jìn)行了溫度控制實(shí)驗(yàn)。初始溫度15℃，第1次設(shè)定溫度為25℃，歷時(shí)90s后第2次設(shè)定溫度為20℃，整個(gè)實(shí)驗(yàn)歷時(shí)3min。通過測(cè)溫系統(tǒng)的串口與PC機(jī)通信，上傳了整個(gè)測(cè)試過程的所有數(shù)據(jù)。使用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)畫圖分析。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到一致的結(jié)論。由圖5中可以得知：15℃上升到25℃歷時(shí)40s，25℃下降到20℃歷時(shí)30s，無過沖現(xiàn)象。由圖6中可以得知：對(duì)于25℃的穩(wěn)定期溫度波動(dòng)在±0.05℃之間，說明系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，溫度控制精度可達(dá)±0.05℃。

Fig.5 Overall data diagram

Fig.6 Stable data chart at25℃

4 小 結(jié)

基于自適應(yīng)模糊PID算法，根據(jù)被控制對(duì)象的特點(diǎn)及人工控制的經(jīng)驗(yàn)建立控制規(guī)則，設(shè)計(jì)了一款半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)合理，控制算法能夠達(dá)到半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求，并且具有較好的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和無過沖，溫度控制精度達(dá)±0.05℃。

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Design and im plementation of high precision tem perature control system for sem iconductor lasers

GAOPingdong，ZHANGFaquan
（School of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

To solve the problem that stability of radiation wavelength and luminous intensity of a laser diode were affected easily by temperature，a high precision laser diode temperature control system was designed.Temperature acquisition circuit was designed by means of AD620 and LTC1864 and temperature control circuit by MAX1968 and LTC1655.Thewhole system was controlled accurately by a TMS320F2812 controller.Adaptive fuzzy proportion-integrationdifferentiation control strategy was proposed and the softwarewas achieved.At the environmental temperature around 15℃，control precision of temperature was up to±0.05℃when the target temperature was set to 25℃and 20℃respectively.Experimental results show that the temperature control system has the advantages of fast response and high stability.

optoelectronics；temperature control；fuzzy proportion-integration-differentiation control；semiconductor laser

TP273

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.026

1001-3806（2014）02-0270-04

廣西省研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（YCSZ2013067）；廣西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2013GXNSFAA019327）

高平東（1986-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c自動(dòng)控制、嵌入式等。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhangfq＠guet.edu.cn

2013-04-24；

2013-06-09