基于FPGA的大功率成像組件溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范新明+陳亞玲

摘要：圖像傳感器的噪聲大小直接決定了器件能否正常工作及器件的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵指標(biāo)，降低圖像傳感器的工作溫度有利于減小暗電流噪聲。為了提高成像質(zhì)量，該文設(shè)計(jì)了基于FPGA的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA作控制器，利用TEC熱電制冷，采用PT100熱電阻進(jìn)行溫度反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制，在FPGA中實(shí)現(xiàn)了增量式的PID算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功耗為60W的情況下，控制精度可達(dá)±2℃，能夠滿足實(shí)際需要，具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

關(guān)鍵詞：FPGA；PID；TEC；溫度控制；成像組件

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）10-0239-03

Abstract： The noise of the imaging sensor directly determines whether the device can work normally， the SNR（Signal to Noise Ratio） and the dynamic working range. Reducing the temperature of the imaging sensor is good for reducing the noise of dark current. In order to improve imaging quality， this paper designs the temperature control system based on FPGA. The system selects the FPGA as controller， adopts the TEC as the actuator， uses the thermal resistance of PT100 as the feedback and realizes the incremental PID algorithm with FPGA. The experimental results indicate that the designed systems control precision is ±2℃ when the power dissipation is 60W， and it can satisfy the practical requirement and it is of practical value in engineering application.

Key words： FPGA； PID； TEC； temperature control；imaging module

CMOS由于功耗低，工藝簡單，攝像系統(tǒng)尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)廣泛用于商業(yè)領(lǐng)域以及航空航天等軍用領(lǐng)域[1]。圖像傳感器的噪聲大小直接決定了器件能否正常工作以及器件的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍等關(guān)鍵指標(biāo)，降低圖像傳感器的工作溫度有利于減小暗電流噪聲。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，溫度每升高6-7℃，暗電流噪聲增加一倍，因此，降低圖像傳感器的溫度，可以有效提高成像質(zhì)量，保證其探測靈敏度。傳統(tǒng)的水冷控溫方式，設(shè)計(jì)制作難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其控制精度不高，難以實(shí)現(xiàn)小型化。熱電制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）作為一種新型的制冷方案，具有體積小、易于控制等特點(diǎn)，在成像組件控溫領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)良的應(yīng)用前景[2-5]。

本文以某型相機(jī)為背景，為了提高其在低照度下的成像質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于FPGA的溫度控制系統(tǒng)。該相機(jī)選用SCMOS作為成像芯片，采用擺掃方式進(jìn)行工作，可以獲取寬視場的高分辨率圖像。溫控系統(tǒng)以FPGA作控制器，采用TEC熱電制冷，利用PT100熱電阻進(jìn)行溫度反饋，在FPGA中實(shí)現(xiàn)了增量式的PID控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，在功耗為60W的情況下，其控制精度可以達(dá)到±2℃，能夠滿足實(shí)際需要，大大降低了圖像的噪聲，提高了其成像質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

SCMOS成像制冷組件采用TEC進(jìn)行控溫，TEC是一個(gè)利用帕爾貼效應(yīng)來制冷或制熱的半導(dǎo)體P-N結(jié)器件，可以通過改變流過TEC電流的方向來實(shí)現(xiàn)制熱或制冷。本系統(tǒng)將TEC冷端固定在探測器背面，用溫控系統(tǒng)來控制通過TEC的電流。溫控系統(tǒng)以FPGA（EP3C25U256）為控制核心，采用ADS7844 12位A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行PT100溫度數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波、求均值處理，以提高數(shù)據(jù)的可靠性，采用增量式的PID算法實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。此外，通過電壓電流檢測模塊實(shí)時(shí)檢測TEC的工作電壓和工作電流，以實(shí)現(xiàn)對TEC異常工作狀態(tài)的檢測和故障時(shí)自我保護(hù)的功能。系統(tǒng)總體控制框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

溫控系統(tǒng)包含電源模塊，TEC驅(qū)動(dòng)模塊，電壓電流檢測模塊，溫度采集模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊以及控制模塊六個(gè)模塊。詳細(xì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。下文主要就TEC驅(qū)動(dòng)模塊和溫度采集模塊以及控制模塊進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.2.1 TEC驅(qū)動(dòng)模塊

TEC的驅(qū)動(dòng)模式包括線性模式和PWM模式。線性驅(qū)動(dòng)效率低，發(fā)熱大，但紋波小。PWM驅(qū)動(dòng)，效率高、發(fā)熱小，但是紋波大。由于本系統(tǒng)功耗大，因此選用效率高的PWM驅(qū)動(dòng)方式，利用LC濾波電路減小PWM驅(qū)動(dòng)的紋波電壓。高功耗同時(shí)導(dǎo)致傳統(tǒng)的集成度高的TEC專用驅(qū)動(dòng)芯片由于功率小不能滿足驅(qū)動(dòng)需求，因此驅(qū)動(dòng)電路采用一對IRS2110和4個(gè)IRFS4710MOS管自搭H橋進(jìn)行PWM驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

通過控制四個(gè)邏輯端IN1，IN2，IN11，IN12實(shí)現(xiàn)TEC的正向和逆向?qū)?，從而進(jìn)行制冷或者加熱。其中當(dāng)IN1，IN12為高時(shí)，TEC工作在加熱模式；當(dāng)IN11，IN2為高時(shí)，TEC工作在制冷模式。復(fù)位情況下，IN2，IN12為高，兩個(gè)下橋?qū)?，TEC不工作。

IRS2110采用自舉電路實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)導(dǎo)通與關(guān)閉，因此自舉電容的選擇尤為重要，圖3所示的C10和C120自舉電容容值選為4.7uF。LC濾波電路中，電感L2，L3選擇振華富的最大電流可達(dá)5A的大封裝電感，C15，C16兩個(gè)濾波電容的耐壓值為50V。經(jīng)過LC濾波電路后，輸出直流，驅(qū)動(dòng)TEC工作。

1.2.2 溫度采集模塊

1.2.2.1 恒流源電路

溫度采集模塊包括恒流源電路和電壓信號調(diào)理電路兩部分。對于溫度的采集，選用PT100熱電阻作為溫度傳感器。PT100具有高溫度系數(shù)，高電阻率，化學(xué)物理性能穩(wěn)定，輸出特性良好的特點(diǎn)。此外鉑電阻線性度好，測量精度高。PT100在0℃時(shí)，其阻值為100Ω，其每攝氏度可以改變幾分之一歐姆。由于TEC的控溫區(qū)在零度以下，PT100的阻值也在100Ω以內(nèi)，電阻值較小，因此該模塊采用施加1mA恒流的方法對PT100電阻值進(jìn)行測量，電流過大鉑電阻會(huì)因自身發(fā)熱造成誤差，電流過小又因鉑電阻電壓信號過弱而受干擾，從而影響測量精度。此外，采用四線制的接法消除了導(dǎo)線電阻的影響，提高了測量精度。四線制接法示意圖如圖4所示。

1.2.2.2 電壓信號調(diào)理電路

PT100兩端電壓反映了溫度變化的信號，但此時(shí)鉑電阻壓降太小，經(jīng)過放大電路調(diào)理后才能輸入后級電路，因此，該電路主要對電壓值進(jìn)行放大。信號調(diào)理電路如圖5所示。

信號調(diào)理電路由3個(gè)運(yùn)算放大器組成，三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成2級放大電路，最終實(shí)現(xiàn)鉑電阻兩端電壓的放大。本電路中，放大倍數(shù)為25倍，由恒流源電路和溫度與阻值關(guān)系可知，PT100兩端電壓范圍為0.0826V-0.123V，經(jīng)過放大后，輸入到下級電路的電壓范圍為2.065V-3.075V。

1.2.3 控制模塊

控制模塊是溫控系統(tǒng)最為核心的模塊，本系統(tǒng)中選用FPGA作控制器，在控制器中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，中值濾波及求均值處理以及增量式PID算法和PWM輸出。此外，通過422串口實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的信息交換。

數(shù)據(jù)采集主要是控制ADS7844將溫度信號，電壓電流等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后按照一定時(shí)序送入到FPGA中，進(jìn)而進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。中值濾波及求平均處理主要針對溫度信號進(jìn)行。對于反饋回的溫度信號，首先進(jìn)行求均值處理，對于均值處理后的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行9個(gè)數(shù)的中值濾波，濾波后的數(shù)據(jù)才作為最終的反饋溫度與設(shè)定溫度作差，進(jìn)行PID控制。

常用的PID控制算法分位置式和增量式兩種控制方法。相比于位置式，增量式控制算法每次輸出的是增量，手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊比較小，同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)誤動(dòng)作小[6-8]。因此，本系統(tǒng)選用增量式的PID控制算法對溫度進(jìn)行控制。增量式的PID控制算法表達(dá)式如式1所示：

[ΔU=kp×（e（k）-e（k-1））+ki×e（k）+kd×（e（k）-2×e（k-1）+e（k-2））]（1）

通過仿真及多次調(diào)試，最終PID三個(gè)參數(shù)分別為[kp]=1.375，[ki]=1.9375，[kd]=0。

FPGA輸出的PWM信號作為驅(qū)動(dòng)器的邏輯信號，控制驅(qū)動(dòng)器高壓側(cè)和低壓側(cè)的通斷，從而控制TEC的通斷和電流方向。PWM的產(chǎn)生也在FPGA中實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA中產(chǎn)生PWM原理如圖6所示：

計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值為A，其輸入的時(shí)鐘頻率為f。在計(jì)數(shù)過程中，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與寄存器Dx相比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于D時(shí)，比較器輸出為高；當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于D時(shí)，電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，比較器輸出為低，此后一直保持低電平，直至計(jì)數(shù)周期結(jié)束。PWM的占空比計(jì)算如式2所示：

[Q=DA] （2）

改變計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值即可改變PWM的周期，本系統(tǒng)中A固定，即周期固定，具體PWM頻率設(shè)置為200KHz。PID算法計(jì)算出來的[ΔU]即是圖7中的D，D的變化從而引起占空比的變化，從而調(diào)節(jié)TEC兩端的電壓大小，進(jìn)而控制制冷電流的大小。

FPGA通過422接口與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，上位機(jī)通過422串口設(shè)定預(yù)設(shè)溫度值，同時(shí)，F(xiàn)PGA將采集的溫度值通過422串口發(fā)送給上位機(jī)，便于實(shí)時(shí)觀察溫度變化曲線與參數(shù)整定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室，在室溫下，分別設(shè)定制冷溫度為-10℃和-15℃，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可看出，溫控系統(tǒng)很好地達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，溫度控制精度保證在2℃范圍之內(nèi)。后期，探測器與TEC整體封閉后，將進(jìn)行-40℃制冷實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)在更低溫度下的制冷效果。

3 結(jié)論

本文以FPGA作為控制器，利用TEC熱電制冷，采用增量式PID算法，實(shí)現(xiàn)了成像組件的溫度控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度控制精度可達(dá)±2℃，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。后期通過整合優(yōu)化參數(shù)，可以進(jìn)一步提高控制精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚立斌. 低照度CMOS圖像傳感器技術(shù)[J]. 紅外技術(shù)， 2015，35（3）.

[2] 李江瀾，石云波，趙鵬飛， 等. TEC的高精度半導(dǎo)體激光器溫控設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程， 014，43（6）.

[3] 黃嶸. 基于單片機(jī)的TEC溫度控制設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用天地， 2013，1（6）.

[4] 黃岳巍，崔瑞幀，鞏馬理， 等. 基于TEC的大功率LD恒溫控制系統(tǒng)的研究[J]. 紅外與激光工程， 20016，35（2）.

[5] 周帥，張彤，崔一平. 一種TEC溫度控制模塊的電路設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子器件， 2008，31（5）.

[6] 徐博，冀威. PID算法的FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 科研發(fā)展， 2010，6（2）.

[7] 龔光松，吳濤. 基于FPGA的PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 咸寧學(xué)院學(xué)報(bào)， 2011，31（12）.

[8] 王爾申，張淑芳. 基于DSP的PID高精度溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2007，6（1）.