基于STM32恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)設計

吳 鋒，吳柏昆，余文志，帥 率，錢銀博

(華中科技大學光學與電子信息學院，湖北武漢 430074)

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基于STM32恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)設計

吳 鋒，吳柏昆，余文志，帥 率，錢銀博

(華中科技大學光學與電子信息學院，湖北武漢 430074)

隨著光纖傳感、光纖陀螺等技術的飛速發(fā)展，超輻射發(fā)光二極管(SLD)運用場所也是越來越多，SLD光源的穩(wěn)定性對光纖傳感系統(tǒng)性能有及其重要的影響，為了提高光纖傳感的精度設計了一種基于STM32的恒電流恒溫度超輻射光源系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了運算放大器作為放大器件的恒流源電路技術方案確保電流穩(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界面。文中對超輻射光源系統(tǒng)的硬件和軟件進行了具體闡述。測試結果證明，該系統(tǒng)在正常溫度下一定工作時間內(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、光纖陀螺等精密測量儀器儀表有靈敏度高、絕對測量和穩(wěn)定性好等特點[1]，近年來有著飛速的發(fā)展，但隨著相應的發(fā)展，如何提高精度和穩(wěn)定性成為現(xiàn)在面臨的問題。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)射半導體器件，其光學特性介于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，這為提高整個系統(tǒng)信噪比提供了基礎。與LD相比，SLD有較短的相干長度，這有助于抑制光學系統(tǒng)中的相干散射噪聲，克爾效應和偏振態(tài)耦合噪聲。因此越來越多的光纖傳感系統(tǒng)采用SLD作為系統(tǒng)光源[2]。然而SLD對環(huán)境溫度和驅動電流十分敏感，如果沒有相應的應對措施，其輸出的光功率會隨著溫度和電流的漂移而變化，從而影響整個傳感系統(tǒng)的測量精度和工作穩(wěn)定性[2]。因此設計恒溫恒流的SLD光源系統(tǒng)有著非常重要的意義。

1 系統(tǒng)總體設計與工作原理

系統(tǒng)選用采用Cortex-M3系列ARM器件作為處理器，選型為STM32F103VET6[3]。其最高主頻達到72 MHz，片內(nèi)集成2路12位DAC，和3路12位轉換速率1 MHz的ADC[4]。其豐富的外圍接口能夠滿足系統(tǒng)設計的需求和將來擴展功能預想。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)設計重點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作為恒流源驅動主芯片，其最大持續(xù)輸出電流超過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動器DRV591作為SLD內(nèi)部半導體致冷器(TEC)驅動主芯片，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)方式驅動負載，且能對異常狀態(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。其驅動電流與SLD輸出功率關系曲線如圖2所示。

圖2 驅動電流與SLD輸出功率曲線圖

該SLD最大輸出光功率為4.3 mW，中心波長為1 559.6 nm，帶寬為49.3 nm。熱敏電阻可以用來監(jiān)測SLD的工作溫度，TEC可以用來調(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系。

2 硬件設計

2.1 電源系統(tǒng)

電源是系統(tǒng)的基礎,一個良好的電源設計是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。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，同時采用2節(jié)串聯(lián)的鋰電池作為系統(tǒng)內(nèi)部電源，其標準電壓約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，并支持自動切換電源供電。系統(tǒng)中各部分電路對電源的需求不同，所以相應選取合適的線性電源和開關電源從而提供多路電源。系統(tǒng)具體電源電路模塊結構設計圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源設計圖

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溫度控制電路在運行過程中，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，并且其對電源紋波性能沒有嚴格要求，所以可以采用開關穩(wěn)壓芯片TL1963提供3.3 V供電。激光器驅動電路要求電源品質(zhì)良好，并且功率相對較大，所以應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，實際使用時設定為4.5 V。

2.2 恒流驅動電路

設計SLD驅動電路，著重考慮3方面的問題。首先，電路應具有穩(wěn)定的功率驅動能力。如果電路輸出電流能力過小，SLD將不能達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，必須設計過流過壓保護、浪涌靜電保護和高溫保護的相關保護電路，否則都有可能損壞SLD。最后，電路電流輸出必須保持穩(wěn)定，否則會影響SLD功率的輸出穩(wěn)定。

以運算放大器作為放大核心器件的壓控恒流源電路設計思路為：采用小阻值精密電阻作為采樣電阻與負載串聯(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)運放“虛短虛斷”概念,當電阻取值為R2=R4,R1=R3的情況下。該壓控電流源的輸出應為：

Io=R2·(Vi-Vref)/R1·Rs

(1)

在硬件上主要對于SLD進行了過流保護與電壓鉗位保護，對于電流過流保護，可以采用保險元件結合電流實時監(jiān)測的方式。選用了熔斷式保險元件而非自恢復型保險元件，當輸出電流超過系統(tǒng)設定值時，保險絲熔斷，熔斷后不能自我恢復，從而避免系統(tǒng)進入開啟關閉交替的振蕩狀態(tài)，同時使用儀用放大器對采樣電阻兩端電壓進行跟蹤放大并送入STM32進行檢測，一旦出現(xiàn)電流異常，STM32能夠立即關閉驅動電路。對于過壓保護，采用了穩(wěn)壓管和瞬態(tài)抑制二極管雙重保險，這兩者都可以利用反向擊穿特性來將電壓鉗制在正常電壓范圍內(nèi)，可以防止電路的過壓與浪涌對SLD破壞。二者的不同之處是穩(wěn)壓管可以耐受較大的功率，但響應速度較慢，響應時間一般在毫秒級別，而瞬態(tài)抑制二極管具有相對較快的響應速度，響應時間一般在納秒級別，但不能耐受較大的功率。所以可以采取兩種特性互補的器件搭配使用的方法，來對SLD實現(xiàn)更完善的保護。

2.3 恒溫控制電路

恒溫控制與溫度保護是系統(tǒng)設計另一重要部分，如圖5所示SLD內(nèi)集成了有負溫度系數(shù)的熱敏電阻，其設定溫度25°時，其阻值為10 kΩ，當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，當其小于5.1 kΩ時比較器LM393輸出電平發(fā)生變化，從而STM32控制激光器驅動關閉，保護激光器工作在正常溫度下。

圖5 溫度監(jiān)測電路

SLD激光器內(nèi)部集成有TEC，對其進行正向或反向通電，可分別對SLD實現(xiàn)制冷與加熱作用。通過激光器內(nèi)部熱敏電阻來監(jiān)測SLD溫度情況并對TEC功率進行反饋控制，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驅動電路與TEC等環(huán)節(jié)構成。其中難點為的是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，但過大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；積分I反應系統(tǒng)的累計偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度；微分D反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，產(chǎn)生超前的控制作用。對于不同系統(tǒng)，PID系數(shù)也不盡相同，需要根據(jù)實際情況估算，通過對恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)仿真和實際實驗測定，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 軟件設計

系統(tǒng)程序利用STM32的固件函數(shù)庫在Keil uVision4開發(fā)平臺下采用C語言編寫，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、實時操作系統(tǒng)、項目管理器、調(diào)試器等，便捷高效[7]。系統(tǒng)程序模塊化設計，由初始化程序、觸控LCD通信程序、激光器驅動程序、激光器溫控程序、電池電量測試程序等組成。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)操作人員通過配置觸控屏幕顯示參數(shù)可以修改STM32中寄存器相關電流溫控參數(shù)，從而控制系統(tǒng)電流與溫控。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)文中所述的設計方案,設計完成的恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)的實物如圖9所示。

圖9 恒流恒溫超輻射光源實物圖

在室溫18 ℃條件下，設定不同驅動電流測試恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同驅動電流下SLD輸出功率表

測試數(shù)據(jù)表明，在室溫條件下，使用不同驅動電流測試系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)在正常溫度下一定工作時間內(nèi)都能保證SLD輸出功率穩(wěn)定在±0.01dBm范圍內(nèi)。另外對系統(tǒng)進行了從0℃到40℃每5℃持續(xù)20min的溫度循環(huán)試驗，表明系統(tǒng)在0℃到40℃范圍內(nèi)都有相當?shù)姆€(wěn)定性。實驗數(shù)據(jù)證明，恒流恒溫超輻射光源系統(tǒng)能夠滿足方案設計需求和實際工程運用要求。

5 結束語

本文提出了使用STM32F103VET6作為主控芯片，以OPA569作為恒流電路驅動主芯片，功率驅動器DRV591作為溫控電路驅動主芯片基礎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，闡述了各個重要系統(tǒng)模塊的硬件設計和主要的軟件流程圖。最后完成系統(tǒng)實物的搭建和測試，實驗數(shù)據(jù)證明了設計方案的可行性和準確性，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)已在實驗室日常光纖傳感實驗中作為系統(tǒng)光源得到應用。

[1] 李海燕.光纖傳感器的現(xiàn)狀和展望.儀表技術與傳感器，2009(S1):403-405.

[2] 王貴甫,賀安之,李振華,等.SLD光源對光纖陀螺性能的影響.傳感器與微系統(tǒng)，2006(6):28-30.

[3] 甕嘉民,陳志武.基于STM32F105 的動態(tài)自動稱重系統(tǒng)設計.儀表技術與傳感器,2012(12):111-113．

[4] 彭剛,秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐.北京:電子工業(yè)出版社，2011．

[5] EMMANUE S.利用電壓基準產(chǎn)生穩(wěn)定流入電流源.電子設計技術，2010(5):83-85.

[6] 韋慶志.基于ARM的模糊PID溫度控制系統(tǒng)的研究:[學位論文].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2010.

[7] 徐大詔,李正明，劉軍.基于STM32的便攜式礦用多氣體檢測儀的設計.儀表技術與傳感器,2014(3):14-16.

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，主要研究方向為光電信號處理，光纖傳感技術。E-mail：wufeng94wo@sina.com

錢銀博(1982—)，博士后，主要研究方向為光纖傳感及光電測試儀器儀表設計。E-mail: qianyinbo@hust.edu.cn