SLED控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與研究

采用“數(shù)控恒流源+高精度溫控”的方案，設(shè)計(jì)了SLED控制系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)內(nèi)引入了PID 控制算法。通過多次試驗(yàn)表明，SLED光源可以顯著提高光源出纖光功率的穩(wěn)定性。數(shù)字控制方法是目前比較理想的驅(qū)動(dòng)方案，具有較好的發(fā)展前途。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了恒流驅(qū)動(dòng)及恒溫控制等功能。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制。單片機(jī)采用MSP430($2.0250)系列的F449單片機(jī)，它其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達(dá)200ks/s。系統(tǒng)原理如圖1所示。

恒流源電路

系統(tǒng)對(duì)恒流源的要求是電流高度穩(wěn)定，漂移和噪聲足夠小。采用高精度DAC作為恒壓源，再通過V-I轉(zhuǎn)換電路就構(gòu)成了數(shù)字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統(tǒng)采用美信公司的12位串行DACMAX5812($3.1702)結(jié)合兩個(gè)運(yùn)放組成V-I轉(zhuǎn)換電路。其中，MAX5812與單片機(jī)的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時(shí)要外接上拉電阻。

該恒流源克服了模擬式恒流源的缺點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩(wěn)定度與DAC精度有關(guān)，如果采用更高位數(shù)的DAC就可以做成更高精度的恒流源。

溫度采樣電路

該光源模塊組件采用溫敏電阻來反映管芯溫度，溫度采樣電路如圖3所示。采用電阻橋式電路，后面配合專用的橋式放大芯片和電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉(zhuǎn)化為適合于單片機(jī)ADC輸入的量程范圍內(nèi)。

電路中橋式放大器采用了美信公司的MAX4194($2.4725)。它是一種微功耗、單電源、滿擺幅、精密、增益可調(diào)的儀表放大器，非常適合于做橋式放大器使用。但MAX4194的輸出電壓范圍不適合MSP430F449($4.9500)單片機(jī)的輸出量程，后面還需要加上信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)調(diào)整到0～2.5V的輸入電壓范圍。MSP430的ADC基準(zhǔn)有片內(nèi)和片外兩種。雖然選用片內(nèi)基準(zhǔn)就可以不外接，減小電路的復(fù)雜程度，但因?yàn)樗璧霓D(zhuǎn)換精度較高，且片內(nèi)基準(zhǔn)的溫度系數(shù)較大(100×10-6/℃)，這里選用了精度比較高的片外基準(zhǔn)電壓源MAX6173($2.7907)。它的輸入電壓為4.5～40V，輸出電壓為2.5V，最大溫度系數(shù)為3×10-6/℃，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

TEC控制電路

TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關(guān)兩種。傳統(tǒng)SLED的溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個(gè)簡單的線性驅(qū)動(dòng) TEC電路由兩個(gè)推挽功率三極管構(gòu)成，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，但功率效率低，控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制“死區(qū)”問題。MAX1968($10.1714)是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，工作于單電源，能夠提供±3 A雙極性輸出，采用直接的電流控制。MAX1968用于設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度，每個(gè)加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經(jīng)內(nèi)部單片機(jī)運(yùn)算后反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)TEC工作。

圖4為SLED溫度控制電路原理圖。在電路中，MAXIP和MAXIN引腳的電壓用來控制流過TEC的最大正向和反向驅(qū)動(dòng)電流，MAXIV 引腳的電壓用來設(shè)置TEC的最大驅(qū)動(dòng)電壓。通過一個(gè)分壓電路來實(shí)現(xiàn)各個(gè)引腳電壓的設(shè)定，如圖4所示。CS和OS1引腳之間的電阻RSENSE用來設(shè)置流過 TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當(dāng)VCTLI》1.5V時(shí)，MAX1968制冷，反之制熱。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)不同的 SLED光源組件，合理設(shè)置參數(shù)即可。系統(tǒng)中主控回路采用負(fù)反饋，將溫度傳感器輸出的電壓與給定電壓比較，所得誤差值經(jīng)PID控制算法處理后，經(jīng)過DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的電壓、電流的大小和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。

鍵盤和顯示電路

鍵盤采用3鍵式獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制算法三個(gè)參數(shù)的設(shè)置以及報(bào)警等功能的設(shè)計(jì)。由于MSP430的P1口具有中斷功能，因此鍵盤軟件的編寫采用中斷的方式來實(shí)現(xiàn)。顯示電路采用RT1602C，這是一種能同時(shí)顯示16×2個(gè)字符的液晶，內(nèi)部存貯有常用的點(diǎn)陣字符圖形，方便易用。由于是5V電壓操作，而MSP430單片機(jī)在3.3V工作，因此采用了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245DB來完成轉(zhuǎn)換。

編輯點(diǎn)評(píng)：

系統(tǒng)中，電橋電路對(duì)溫敏電阻進(jìn)行電壓采樣，送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過內(nèi)部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個(gè)電壓來控制專用的半導(dǎo)體制冷器(TEC)控制芯片，以達(dá)到對(duì)SLED進(jìn)行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結(jié)合恒流源電路來實(shí)現(xiàn)。