基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 耿建平 黃 菁

半導(dǎo)體激光器是實(shí)用中最重要的一類激光器。半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高，能直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器的這些優(yōu)良特性，因而越來(lái)越廣泛地被用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域[1]。由于半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)主要受電流和溫度兩個(gè)物理量影響，因此實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流和溫度的精密控制十分重要[2-3]。

本文設(shè)計(jì)了一套完善的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的微控制器是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32F103VCT6，其具有低成本、低功耗等特點(diǎn)[4]，并以TEC驅(qū)動(dòng)器MAX1968為執(zhí)行器件，MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統(tǒng)外部元件少，因此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有高性價(jià)比和高集成度等優(yōu)勢(shì)。

1.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用激光器為內(nèi)帶背光檢測(cè)器，半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）和熱敏電阻集成的半導(dǎo)體激光器，而半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式為電注入[5]，半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的原理如圖1所示。STM32F103VCT6通過(guò)ADC采集熱敏電阻、MAX1968和背向光二極管信號(hào)的電壓信號(hào)。為了保證所采集電壓的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，在ADC轉(zhuǎn)換前必須對(duì)所要采集的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理。然后STM32F103VCT6對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算得到當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的實(shí)際工作溫度和電流。最后根據(jù)當(dāng)前半導(dǎo)體激光器工作的溫度、電流進(jìn)行PID算法的運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)通過(guò)DAC來(lái)控制TEC控制器MAX1968，讓其去驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器的TEC，從而控制半導(dǎo)體激光器的電流和溫度。同時(shí)，STM32F103VCT6和計(jì)算機(jī)之間通過(guò)串口MAX3232進(jìn)行通信，這樣既可以將半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，很方便的調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度、目標(biāo)光強(qiáng)等參數(shù)，滿足不同的實(shí)際需要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 主控單元

本文使用ST(意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為核心控制模塊，它比單片機(jī)功能更強(qiáng)，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，擁有3個(gè)12位精度采樣的ADC，每個(gè)ADC共用多達(dá)21個(gè)外部通道，ADC的時(shí)鐘頻率最高為14MHz，即它的采樣時(shí)間最短為1us；2個(gè)12位的DAC；4個(gè)中斷源；16內(nèi)核68個(gè)外部；16級(jí)可編程中斷優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷，映射至幾乎所有IO口，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)其典型電路設(shè)計(jì)的中控單元電路如圖2所示。圖2中，STM32F103VCT6采用ADC通過(guò)PININ、RT1IN和ITECN三個(gè)接口分別采集背向光檢測(cè)器、熱敏電阻和MAX1968的數(shù)據(jù)信息；采用DAC通過(guò)ICONTROL和TCONTROL1口控制MAX1968來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和電流的反饋控制；同時(shí)，利用RX103和TX103與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。

圖2 主控單元

1.2 溫控控制模塊

采用MAX1968芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的溫度控制。MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，工作于單電源，能夠提供±3A雙極性輸出，激光器控制電路利用熱敏電阻反饋激光器管芯溫度，控制電路將其與給定電壓比較，進(jìn)行相應(yīng)硬件或算法處理后，輸出一定電壓給熱電制冷器(TEC)，TEC根據(jù)流過(guò)電流的方向，對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，使激光器溫度穩(wěn)定在所要求的值。激光器的溫控系統(tǒng)必須滿足控制精度高、溫度穩(wěn)定性好的要求，而且它必須是雙向控制的，以適應(yīng)外界溫度變化和激光功率的變化。

MAX1968主要由兩個(gè)開關(guān)型同步降壓穩(wěn)壓器組成，在兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器輸出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，經(jīng)過(guò)LC濾波驅(qū)動(dòng)TEC。兩個(gè)穩(wěn)壓器同時(shí)工作產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電壓，直接控制TEC電流，實(shí)現(xiàn)TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線性驅(qū)動(dòng)所存在的“死區(qū)”問(wèn)題，以及輕載電流時(shí)的非線性題目，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)“死區(qū)”溫度控制。外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸進(jìn)端CTL1，直接設(shè)置TEC電流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率輸出，而是用來(lái)感測(cè)通過(guò)TEC的電流，流過(guò)TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為TEC電流的感應(yīng)電阻；VCTL1為外部控制電路的輸出電壓；VREF為參考電壓(1.5V)。

假設(shè)正向電流為加熱，則VCTL1＞1.5V為加熱，電流的流向從OS2到OS1，OS1、OS2、CS這3個(gè)引腳的電壓關(guān)系為：VOS2＞VOS1＞VCS，反之則制冷。開關(guān)穩(wěn)壓器是按周期運(yùn)作的，以把功率傳輸?shù)揭粋€(gè)輸出端，這種轉(zhuǎn)換方法會(huì)在基頻及諧波上產(chǎn)生很大的噪聲分量，但是在MAX1968中是相位轉(zhuǎn)換并提供互補(bǔ)同相工作周期，所以紋波波形大大減小，抑制了紋波電流和電氣噪聲進(jìn)進(jìn)TEC模塊，進(jìn)而影響LD工作性能。FREQ用來(lái)設(shè)置內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率，當(dāng)FREQ接地頻率為500kHz時(shí)，F(xiàn)REQ接電源頻率為1MHz。MAX1968片內(nèi)帶有的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，減少了外部元件，芯片工作在較高的開關(guān)頻率下，可以用更小的電感和電容，從而減少PCB(印制電路板)的面積、降低本錢，對(duì)于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化與智能化具有極其重要的作用[6]。利用MAX1968設(shè)計(jì)出的溫控系統(tǒng)如圖3所示：

圖3 溫控系統(tǒng)

1.3 電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊

實(shí)際操作中，電流難免會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，而這種波動(dòng)在某種程度上會(huì)嚴(yán)重影響半導(dǎo)體激光器的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎陌雽?dǎo)體激光器。因此在該激光驅(qū)動(dòng)器的電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊。如圖4所示。這個(gè)電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊主要由一個(gè)穩(wěn)壓二極管D6，瞬變二極管D7和電阻R29構(gòu)成。其中D7的主要作用是防止反向瞬變電壓的沖擊，即當(dāng)半導(dǎo)體激光器的兩端電壓發(fā)生突變時(shí)，半導(dǎo)體激光器兩端的電壓的變化不會(huì)太大。R29的作用是防止半導(dǎo)體激光器的兩端出現(xiàn)靜電。如果系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器的兩端出現(xiàn)靜電，那么存在的靜電將會(huì)流過(guò)R29的兩端，這樣可以保證對(duì)于半導(dǎo)體激光器不會(huì)產(chǎn)生影響。D6穩(wěn)壓二極管的作用則是穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器兩端的電壓。由圖可知，當(dāng)電壓超出預(yù)定電壓時(shí)，穩(wěn)壓二極管將會(huì)被擊穿，電流會(huì)直接經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管所在的支路直接接地，而不會(huì)經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體激光器所在的支路，這樣可以對(duì)半導(dǎo)體激光器起到穩(wěn)壓與保護(hù)的作用。

圖4 電流驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊

2.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID算法設(shè)計(jì)

一般控制過(guò)程存在不同程度地非線性、大滯后、參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性，因而普通的PID控制器難以獲得滿意的控制效果[7]。系統(tǒng)采用模糊控制與PID控制器相結(jié)合構(gòu)成模糊PID控制器。模糊控制是以人的思維判斷方法形成模糊控制規(guī)則，在模糊規(guī)則的基礎(chǔ)上以模糊量作為實(shí)際控制的依據(jù)。利用模糊控制給PID控制器在線自根據(jù)PID參數(shù)自整定原則，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。該模糊控制器以采集到真實(shí)值Yout與理想值Rin之間的偏差值E和偏差變化率EC為輸入變量，以PID的參數(shù)KP、KI和KD為輸出變量。通過(guò)控制參數(shù)Kp、KI和KD的調(diào)節(jié)可對(duì)控制效果進(jìn)行調(diào)整，最佳的Kp、KI、KD值需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

圖5 PID結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集和穩(wěn)定控制。圖6是主程序流程圖：

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)上電后首先初始化嵌入式微處理器和外設(shè)，其次設(shè)置中斷服務(wù)子程序，開中斷。主控芯片STM32F103VCT6使用內(nèi)部集成的ADC模塊，采集半導(dǎo)體激光器模塊當(dāng)前的溫度、功率的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。首先，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的溫度，根據(jù)實(shí)際溫度值與基準(zhǔn)值的偏差選擇相應(yīng)的操作，如果溫度偏差為負(fù)，則進(jìn)行提高反向電流的操作；如果溫度偏差為正，則進(jìn)行提高正向電流的操作。其次，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，根據(jù)實(shí)際功率值與基準(zhǔn)值的偏差選擇相應(yīng)的操作，如果功率偏差為負(fù)，則進(jìn)行增大驅(qū)動(dòng)電流的操作；如果功率偏差為正，則進(jìn)行減小驅(qū)動(dòng)電流的操作。通過(guò)溫度與功率的反復(fù)循環(huán)調(diào)節(jié)，逐漸使系統(tǒng)輸出達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，STM32通過(guò)串口把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)可以顯示半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)，并且上位機(jī)也可以向STM32發(fā)送相應(yīng)的指令，控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

3.系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)以上思路設(shè)計(jì)的光源驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖7所示。

系統(tǒng)選擇光強(qiáng)控制量為3.4mW，溫度控制量為0.4℃，計(jì)算機(jī)上位機(jī)以LabVIEW為操作控制界面。圖9和圖10分別為從LABVIEW顯示界面上顯示溫度和光強(qiáng)檢測(cè)圖。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖9 溫度監(jiān)測(cè)圖

圖10 光強(qiáng)監(jiān)測(cè)圖

對(duì)比可知，目標(biāo)量初始改變幅度較大，越接近目標(biāo)量時(shí)，步長(zhǎng)越來(lái)越小，穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也比較短。當(dāng)進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)即輸入任意鍵值改變目標(biāo)量時(shí)，系統(tǒng)可正常運(yùn)行，達(dá)到了溫度控制精度±0.03℃，激光輸出功率穩(wěn)定度±0.002dB，可見該驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)正確，且精度高。

4.結(jié)論

系統(tǒng)采用低成本、低功耗的ARM微控制器STM32F103VCT6，驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968為核心器件，并以模糊PID計(jì)算控制量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器溫度控制精度高，性能穩(wěn)定，具有易于開發(fā)、高性價(jià)比和高集成度等優(yōu)點(diǎn)，滿足半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器在實(shí)際工程上的應(yīng)用，具有很好的實(shí)用性。

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