EMCCD相機熱電制冷溫度控制系統(tǒng)研究與設計

蘇家雨+任國強+王明富+聶山鈞

摘 要：EMCCD作為當今世界上靈敏度最高的成像器件之一，在航空航天、夜視導航、生物醫(yī)學等眾多研究方向均有廣闊的應用前景，為了降低EMCCD相機熱生暗電流并提升相機倍增增益，需對相機芯片進行深度制冷并盡可能提高控溫的穩(wěn)定性，保障合適的溫度變化速率。由于制冷溫差大而導致需要為TEC提供較大的制冷功率，設計了可提供較大制冷功率的熱電制冷系統(tǒng)與具有高穩(wěn)定度的溫度數據采集系統(tǒng)，并采用積分限幅的數字PID控制算法，可為TEC提供的最大制冷功率超過100 W、溫度控制穩(wěn)定度為±0.1℃，溫度變化速率約為5℃/min，均滿足指標要求，提升了EMCCD相機性能。

關鍵詞：EMCCD；熱電制冷；數字PID；溫度控制；積分限幅

中圖分類號：TP39；TN215 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-03

0 引 言

電荷耦合器件（CCD）最早于1970年由美國貝爾實驗室率先提出，并于1971年研制出第一個可實用的CCD器件。CCD具有體積小、低噪聲、質量輕等特點，同時利用CCD可獲得高精度的測量并對目標進行準確定位。電子倍增電荷耦合器件（Electron Multiplication Charge Coupled Device， EMCCD）是一種近些年才出現的高靈敏度探測器，它具有很高的量子效率和特殊的讀出噪聲抑制機制，使其在較高的讀出速度下仍具有很低的噪聲水平。基于這些優(yōu)勢，EMCCD不僅可應用于天文中的暗弱目標觀測和波前探測（Wave-Front Sensing）[1]，在生物醫(yī)學領域，EMCCD還可進行細胞熒光成像，被安裝在各種顯微鏡上，觀察細胞活動。此外，EMCCD還在微光夜視、單光子計數、光譜分析等方面具有廣闊的應用前景[2]。

1 溫度對EMCCD相機性能的影響

雖然EMCCD性能優(yōu)越，但EMCCD在工作中存在許多噪聲源，嚴重制約其性能。其中暗電流噪聲是主要的噪聲源之一，主要來源于耗盡區(qū)的本征熱激發(fā)產生的載流子。通過對抑制EMCCD暗電流噪聲技術的研究，人們發(fā)現降低溫度可有效減少暗電流。制冷溫度不同時EMCCD成像效果對比如圖1所示。左右兩邊分別顯示EMCCD相機在制冷到-70℃和 -95℃時的圖像，可以明顯感覺到制冷溫度越低，可獲得的圖像更為清晰。一般而言，溫度每降低5～7 K，暗電流便降為之前的一半，EMCCD暗電流與制冷溫度的關系如圖2所示。（a）圖中為EMCCD芯片分別制冷到-30℃和-85℃時的暗電流噪聲圖像，可明顯看出溫度越低，暗電流的噪聲點更為稀疏。從（b）圖中可看出制冷溫度越低，暗電流噪聲也低。因此使用制冷技術是抑制EMCCD中暗電流的有效途徑之一。隨著溫度的降低，EMCCD中的暗電流迅速下降，從而提高了EMCCD的探測靈敏度，改善了EMCCD的性能。同時，EMCCD圖像傳感器的溫度控制穩(wěn)定性決定了EMCCD電子增益變化量的大小。圖3所示為EMCCD在-85℃±0.15℃時的增益變化曲線。綜上所述，若要使EMCCD獲得較佳性能，則需要對EMCCD相機進行高穩(wěn)定度的深度制冷[3-6]。

2 EMCCD熱電制冷系統(tǒng)硬件電路設計

一般的制冷方式主要包括液氮制冷、斯特林制冷和TEC制冷。由于TEC制冷具有體積小、噪聲小、可實現智能溫控等優(yōu)點，因此本文采用TEC制冷方式實現對EMCCD相機的溫度控制[5]。

首先通過AD590測溫電路或PT1000測溫電路采集溫度數據，經運算放大等處理后發(fā)送至四通道AD轉換器AD7682，最終傳輸至TMS320F28335數字信號處理器，通過PID計算得到輸出量后分別通過PWM口輸出脈沖驅動MOS管橋式驅動電路和DA轉換器，最終驅動TEC工作，實現對EMCCD的制冷。硬件電路整體設計框圖如圖4所示。

硬件電路主要包括溫度數據采集模塊、計算控制模塊和TEC驅動模塊部分。

溫度采集模塊包括AD590測溫電路和PT1000測溫電路及相應的信號運算和放大電路、AD轉換電路。

AD轉換器采用ADI公司生產的16位、4通道AD轉換器AD7682，其模擬輸入電壓范圍為0～5 V，與DSP采用SPI進行接口和數據通信。將PT1000和AD590溫度傳感器測量的小電壓進行放大的電路則以AD7682技術手冊所推薦的運算放大器ADA4841為核心部件設計放大電路，可分別將PT1000和AD590溫度傳感器的測量電壓放大并映射滿AD7682 0～5 V輸入范圍。

計算控制模塊以TMS320F28335為核心，包括最小系統(tǒng)電路、AD接口電路與上位機通信模塊電路和輸出模塊接口電路及為整個系統(tǒng)提供電源的模塊等。

DSP與上位機的數據通信采用RS 422接口，而接口芯片使用MAXIM公司生產的MAX488。系統(tǒng)對TEC的驅動電壓使用12/24 V直流電壓，這一部分電壓直接使用外部直流源進行輸入，而AD轉換器、DA轉換器等使用的5 V電壓則通過開關電源芯片A8498進行降壓處理，其輸入電壓為12 V或24 V，通過輸出端電阻匹配可得5 V/3 A的固定輸出。DSP所需的3.3 V電壓和1.9 V電壓通過TI公司推薦的專為TMS320F28335供電的電源芯片TPS767D301進行降壓，其輸入電壓為A8498提供的5 V電壓，而擁有的兩路輸出通道分別輸出3.3 V/1 A和1.9 V/1 A。

驅動電路包括以MOS管為開關的橋式驅動電路和以DA轉換器和運放組成的驅動電路。DA轉換器采用TI公司生產的16位雙輸出通道的DA轉換器DAC8552。該轉換器可提供的輸出電壓范圍為0～5 V，與DSP采用McBSP接口，在使用時，直接用DSP向其發(fā)送一個24位數據配置其寄存器，該24位寄存器的前8位控制輸出性能，后16位則被轉換為模擬量，該模擬量經3倍放大后作用于TEC，實現制冷功能。

3 控制系統(tǒng)算法研究及軟件設計

由于PID控制算法已經在大量控制系統(tǒng)中得到了驗證，本文將采用PID算法對本系統(tǒng)進行控制量的計算并做出優(yōu)化和改進。傳統(tǒng)PID控制算法的控制器輸出量同控制器輸入量及其積分、微分成比例，用公式表示為：

由于本系統(tǒng)采用數字信號處理器DSP作為系統(tǒng)的主控芯片，因此需要將PID算法離散化，可寫為：

上式便是位置式PID控制算法的數字化表達式，其中T為控制系統(tǒng)輸入量的采樣周期，n表示第N個采樣時刻，由上式還可得到：

如果將上述兩式做差，可得到：

此時的輸出量為第N個采樣時刻相對上個采樣時刻的增量。由增量式PID控制算法的數學表達式可知，增量式PID控制算法的計算量僅與三個時刻的采樣值有關，因此與位置式PID控制算法相比，增量式PID控制算法的誤差不會持續(xù)累加，且計算相對簡單，占用控制器內存較少。因此本文采用增量式數字PID控制算法實現對系統(tǒng)的控制。

此外，由于系統(tǒng)要求以較慢的速率制冷CCD芯片，因此溫控過程調節(jié)時間較長，

在這段時間內，PID式中的積分量將積累過大的數值，但執(zhí)行器只能以其極限能力運行，而這將造成積分飽和，當系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的積分積累值，控制量需要一段時間脫離飽和區(qū)，輸出無法及時反向，因此引起系統(tǒng)產生大幅度超調，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。針對這一問題，本文采用積分限幅的數字PID控制算法。

積分限幅的基本原理是選擇兩個適當的閾值作為積分上下限，當積分控制項的輸出超過設定范圍時，用上下閾值代替積分輸出值，可有效避免PID控制器的深度飽和[7，8]。

在確定了具體的控制算法后，需要確定PID控制器的比例系數（Kp）、積分時間常數（Ti）、微分時間常數（Td）、采樣周期（T）積分門限的上下限閾值。

由于溫控系統(tǒng)難以用理論計算的方法整定PID參數，一般采用工程整定法（試湊法）進行參數整定，其具體操作方法為：

首先整定比例部分，將Kp從小到大增大，直到系統(tǒng)趨于震蕩，記錄此時的取值，并假設其為KPM，此時取Kp=（0.6-0.8）KPM，并將積分時間常數Ti從較大值逐漸減小，直到系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除，此時的Ti值設定為系統(tǒng)的積分時間常數。由于微分時間常數的設置主要是為了使系統(tǒng)更快地到達設定值，而本系統(tǒng)希望以較慢的速率制冷CCD芯片，因此將微分時間常數設置為0。

采樣周期的取值從精度考慮，采樣周期越小，所能得到的控制精度越高，但如果采樣周期過小，又將使得控制器難以完成數據的處理和控制量的計算。

為保證系統(tǒng)性能，控制系統(tǒng)采用定時器中斷方式，定時時長為采樣周期T。主程序和積分限幅的增量式數字PID控制算法流程圖如圖5所示。

4 實驗結果與分析

首先開啟水冷箱（水冷箱溫度為10℃），并將TEC冷端溫度設置為-20℃，當溫度曲線在-20℃波動時，采集其曲線并計算其穩(wěn)定度。之后分別將TEC冷端溫度設置為-50℃、-80℃，并在溫度曲線趨于穩(wěn)定時獲取相關數據并計算控制穩(wěn)定度。所得曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，控制系統(tǒng)溫度波動量的最大值約為0.1℃，此控制效果較好，與國內目前公開文獻中提及的對制冷型CCD的溫控穩(wěn)定性最好的文獻效果相當，且本系統(tǒng)可提供更低的制冷溫度[9]。因此對于具有大慣性、大滯后而執(zhí)行器執(zhí)行能力有限等特點的溫度控制系統(tǒng)采用基于DSP積分限幅的PID控制器可取得良好的控制效果。但在控制器的應用過程中仍存在一些改進空間，如積分門限的更精確確定、PID控制參數的更準確整定、系統(tǒng)硬件電路的抗干擾性能增強等。因此，可進一步完善和修改該控制系統(tǒng)。

5 結 語

本文為EMCCD相機設計了基于DSP的溫度控制系統(tǒng)，包括硬件電路（溫度采集電路、計算控制電路、TEC驅動電路）的設計和軟件算法（積分限幅的增量式數字PID控制算法）的設計。結果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能和穩(wěn)定性，溫度控制穩(wěn)定度和溫度變化速率均滿足設計需求。同時，該系統(tǒng)還適用于其他科學級圖像傳感器的芯片制冷，擁有廣闊的應用前景。

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