孫 健，段 軍，王宗清，曾曉雁，曹紅兵

(華中科技大學，武漢光電國家實驗室，湖北武漢 430074)

0 引言

在實際使用中，非線性晶體會不可避免地吸收部分激光能量并發(fā)熱，影響激光器的性能，因此必須對其進行溫控。目前的非線性晶體溫控方案以TEC(半導體制冷器)控制居多，控制精度的差異就在于系統(tǒng)采用的溫度傳感器、控制芯片、TEC驅(qū)動電路和控制算法。目前國外的ILX Lightwave、WAVELENGTH和THORLABS等公司的溫度控制器已經(jīng)非常成熟，精度一般為±0．001 ℃；而國內(nèi)的溫控器產(chǎn)品較少，控制水平低，精度一般為±0．1～±0．01 ℃．針對這一現(xiàn)狀，文中提出了一種以DSP為核心的高精度溫度數(shù)據(jù)采集和實時控制方案，并詳細介紹了系統(tǒng)方案的軟硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

非線性晶體溫度測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由以下3個部分組成：第一部分為溫度數(shù)據(jù)采集電路，主要包括測溫傳感器、信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器；第二部分為溫度控制部分，由DSP、D/A轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路和TEC組成；第三部分為DSP芯片外圍電路，主要由液晶、鍵盤、EEPROM存儲器、RS232串口通信接口以及報警電路組成，實現(xiàn)溫度的實時顯示、設(shè)定、存儲、與PC機通信以及報警等功能[1]。

圖1 非線性晶體溫度測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理為：非線性晶體的溫度經(jīng)Pt100(100 Ω鉑電阻)溫度傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP中。DSP通過計算得到當前晶體的溫度值并進行顯示，同時將其與設(shè)定值相比較得到溫差及其變化率，再根據(jù)分段PID算法計算出相應(yīng)的控制量?？刂屏客ㄟ^D/A輸出，經(jīng)過MAX1968驅(qū)動電路后，由TEC對晶體進行加熱或制冷，最終實現(xiàn)對非線性晶體的高精度溫度控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1傳感器測溫與信號放大電路

要實現(xiàn)精確的溫度控制，首先要測得被控對象的精確溫度。Pt100測溫電路與信號放大電路如圖2所示。

圖2 PT100測溫與信號放大電路

鉑電阻溫度傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性、響應(yīng)快、寬溫度范圍等優(yōu)點，非常適合溫度的精確測量。Pt100的阻值隨著非線性晶體溫度的變化而變化，在0～850 ℃的范圍，其阻值與溫度特性可以由一個二階多項式[2]來描述：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(1)

式中：A=3.908 3×10-3/℃；B=-5.775×10-7/℃．

為了減小環(huán)境溫度變化以及Pt100自身發(fā)熱的影響，設(shè)計中采用電橋電路來提高測量精度。電橋選用ADR4525為電壓源，保證兩臂電壓的恒定。ADR4525為超低噪聲、高精度電壓基準，輸出電壓為2．5 V，最大溫度系數(shù)為2 ppm/℃，輸出噪聲(0．1～10 Hz)<1．25 μV(Vp-p)[3]，滿足測量要求。

電橋輸出的微弱電壓信號由精密儀表放大器INA114進行放大，進行A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP，DSP通過計算得到Pt100的阻值后，再通過式(1)即可求得準確的溫度。放大芯片選用高精度低失調(diào)電壓的INA114運放，在其輸入端設(shè)計了由R5、R6、C1、C2和C3構(gòu)成的低通RC網(wǎng)絡(luò)，用于抑制高頻干擾。實際電路中，IN114運放的放大倍數(shù)約為119，AD7606的測量范圍選為0～5 V，最高可測量電橋輸出電壓為42 mV，對應(yīng)鉑電阻的阻值為121．5 Ω，即系統(tǒng)可測量和控制的溫度為0～55 ℃．

2．2溫度控制電路

選用具有浮點運算功能的DSP芯片TMS320F28335為控制核心，具有執(zhí)行速度快、計算處理能力強、外設(shè)資源豐富的優(yōu)點。DSP主要控制A/D和D/A，完成溫度數(shù)據(jù)的采集、實時處理與控制量輸出功能，可以完成其他數(shù)據(jù)采集與控制功能，擴展性好。電路中DSP通過DAC7724 D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制信號，控制 MAX1968來驅(qū)動TEC。

TEC是利用珀爾帖(Peltier)效應(yīng)制成的制冷或加熱的器件。通過調(diào)節(jié)流過TEC電流的大小和方向，實現(xiàn)對非線性晶體的加熱或制冷。驅(qū)動TEC對非線性晶體進行加熱或制冷的MAX1968驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 MAX1968驅(qū)動電路

MAX1968是TEC電源驅(qū)動芯片，它采用直接電流控制，消除了TEC中的浪涌電流；能提供±3 A的雙極性電流，實現(xiàn)了溫度的無“死區(qū)”控制，避免了系統(tǒng)在調(diào)整點非常接近環(huán)境工作點時的振蕩；它片內(nèi)集成功率MOSFET、PWM和門電路控制結(jié)構(gòu)，采用500 kHz/1 MHz開關(guān)頻率，減少了外部元件。采用MAX1968驅(qū)動省去了復雜的PWM驅(qū)動電路、限流保護電路、輸出 LC濾波電路等，具有高集成度、高性價比、高效率以及控溫精確等優(yōu)點。

流經(jīng)TEC的電流為：

IREF=(VCTLI-VREF)/(10×RRENSE)

(2)

DSP輸出控制信號，通過DAC7724數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出一個模擬量至 MAX1968的CTLI引腳上，從而精確地控制連接在MAX1968的OS1與OS2管腳之間的TEC上所通過的電流方向與大小。同時通過設(shè)置MAXIN(26腳)、MAXIP(27腳)、MAXV(28腳)的電壓值可以設(shè)置TEC的最大反向電流、正向電流和最大電壓差[4]。

2．3其他外圍電路

系統(tǒng)設(shè)計了如下功能：將溫度值實時顯示在LCD液晶上；可以通過鍵盤設(shè)定目標溫度值，更改各項PID參數(shù)；當溫度設(shè)定值、PID運算、溫度采樣次數(shù)、溫度報警范圍等參數(shù)更改后，能自動存入AT24C08 EEPROM存儲器，掉電不丟失，系統(tǒng)能在下次開機時自動調(diào)用；通過MAX232芯片與電腦通信，能接收電腦控制指令并返回相應(yīng)值，實現(xiàn)系統(tǒng)的電腦遠程控制；當溫度超出允許的范圍時，通過LED和蜂鳴器報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1控制算法設(shè)計

PID(比例-積分-微分)控制算法是溫度控制中最成熟、使用最廣泛的一種算法，本設(shè)計采用DSP實現(xiàn)分段數(shù)字PID控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、使用方便的優(yōu)點。

傳統(tǒng)PID算法表達式為：

(3)

式中：u(t)為輸出信號；e(t)為輸入值與設(shè)定值的偏差；KP為比例系數(shù)；TI、TD為積分和微分時間。

為了便于用DSP實現(xiàn)編程，將積分式和微分項用近似求和及增量式表示，得到離散的PID表達式，即

(4)

式中：e(k)為第k次采樣時的偏差值，k=0，1，2，…；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)，KI=KP(T/TI)；KD為微分系數(shù)[5]，KD=KP(TD/T)。

這樣就能通過編程實現(xiàn)對控制量的比例、積分和微分調(diào)節(jié)了。

比例調(diào)節(jié)對偏差是即時反應(yīng)的，使輸出量朝著減小偏差的方向變化。而積分調(diào)節(jié)具有累積成分，用于消除比例調(diào)節(jié)中的殘余靜差，積分系數(shù)過大會產(chǎn)生超調(diào)，過小則將減慢消除靜差的過程，引入積分環(huán)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。微分調(diào)節(jié)則在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，按偏差變化的趨向進行控制，能加快溫度過程，減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性。本設(shè)計以設(shè)定溫度為中心點，劃定了3個溫度調(diào)整區(qū)間，在不同溫差下采取不同的PID參數(shù)，并通過試驗不斷優(yōu)化，提高了相應(yīng)速度與控制精度，最終得到最佳控制效果。

3．2程序設(shè)計

系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，包括初始化程序、主程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、串口通信程序和中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序中又調(diào)用了A/D采樣函數(shù)、PID運算函數(shù)、D/A輸出函數(shù)和顯示刷新函數(shù)。主程序流程和中斷服務(wù)程序流程如圖4所示。

(a)主程序流程圖 (b)溫控中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)果分析

在室溫為28 ℃時，設(shè)定系統(tǒng)目標溫度值為45 ℃，對其進行了試驗測試，實際溫度控制響應(yīng)曲線如圖5所示。達到穩(wěn)定后的實時溫度數(shù)值和長時間工作時的實時溫度數(shù)值分別如圖6、圖7所示。由試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)控溫精度<±0．002 ℃，絕對精度<±0．006 ℃，室溫啟動后達到穩(wěn)定時間<3 min，并能長時間穩(wěn)定工作，精確度和穩(wěn)定性好。

圖5 實際溫度控制響應(yīng)曲線圖

圖6 達到穩(wěn)定后的實時溫度數(shù)值圖

圖7 長時間穩(wěn)定工作時的實時溫度數(shù)值圖

系統(tǒng)抗干擾測試結(jié)果如圖8所示，在遇到-0．2 ℃的外界干擾時，能在1 min內(nèi)恢復到要求的精度范圍。

圖8 遇干擾之后的溫度曲線圖

5 結(jié)束語

溫控電路中采用鉑電阻溫度傳感器、電橋電路、AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提高了測量精度。主控芯片選用DSP，發(fā)揮了其運算速度快的優(yōu)勢；通過MAX1968驅(qū)動芯片調(diào)節(jié)流過TEC電流的大小和方向，實現(xiàn)了溫度的精確控制。系統(tǒng)具有控溫精度高、集成度高、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，目前已實際運用于非線性晶體的溫度控制中。

參考文獻：

[1]丁友林，蔡舒平，董利科．基于DSP的高精度半導體激光器溫度測控系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2009(4)：135-137．

[2]Texas Instruments Incorporated．INA114 Datasheet SBOS014 [EB/OL]．(2000-09-27)[2013-10-11]．http://www．ti．com．cn/product/cn/ina114．

[3]陳李．基于TMS320C6713B的精密溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)：[學位論文]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012．

[4]Maxim Integrated Incorporated．MAX1968 Datasheet [EB/OL]．(2007-02-28)[2009-05-29]．http://datasheets．maximintegrated．com/en/ds/MAX1968-MAX1969．pdf．

[5]顧德英，羅云林，馬淑華．計算機控制技術(shù)．2版．北京：北京郵電大學出版社，2007：107-108．

作者簡介：孫健(1990-)，碩士研究生，主要從事激光電子技術(shù)方面的研究。E-mail：sunjian@hust．edu．cn

段軍(1956-)，教授，博士，主要激光先進制造技術(shù)方面的研究。E-mail：duans@mail．hust．edu．cn