范新明+陈亚玲

摘要：图像传感器的噪声大小直接决定了器件能否正常工作及器件的信噪比和动态范围等关键指标，降低图像传感器的工作温度有利于减小暗电流噪声。为了提高成像质量，该文设计了基于FPGA的温度控制系统。该系统以FPGA作控制器，利用TEC热电制冷，采用PT100热电阻进行温度反馈，构成闭环控制，在FPGA中实现了增量式的PID算法。实验结果表明，设计的系统在功耗为60W的情况下，控制精度可达±2℃，能够满足实际需要，具有一定的工程实际应用价值

关键词：FPGA；PID；TEC；温度控制；成像组件

中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：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，工艺简单，摄像系统尺寸小等优点，近年来已经广泛用于商业领域以及航空航天等军用领域[1]。图像传感器的噪声大小直接决定了器件能否正常工作以及器件的信噪比和动态范围等关键指标，降低图像传感器的工作温度有利于减小暗电流噪声。根据经验，温度每升高6-7℃，暗电流噪声增加一倍，因此，降低图像传感器的温度，可以有效提高成像质量，保证其探测灵敏度。传统的水冷控温方式，设计制作难度大，结构复杂，而且其控制精度不高，难以实现小型化。热电制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC）作为一种新型的制冷方案，具有体积小、易于控制等特点，在成像组件控温领域展现优良的应用前景[2-5]。

本文以某型相机为背景，为了提高其在低照度下的成像质量，设计了基于FPGA的温度控制系统。该相机选用SCMOS作为成像芯片，采用摆扫方式进行工作，可以获取宽视场的高分辨率图像。温控系统以FPGA作控制器，采用TEC热电制冷，利用PT100热电阻进行温度反馈，在FPGA中实现了增量式的PID控制算法。实验结果表明，设计的温度控制系统，在功耗为60W的情况下，其控制精度可以达到±2℃，能够满足实际需要，大大降低了图像的噪声，提高了其成像质量。

1 系统设计

1.1 系统工作原理

SCMOS成像制冷组件采用TEC进行控温，TEC是一个利用帕尔贴效应来制冷或制热的半导体P-N结器件，可以通过改变流过TEC电流的方向来实现制热或制冷。本系统将TEC冷端固定在探测器背面，用温控系统来控制通过TEC的电流。温控系统以FPGA（EP3C25U256）为控制核心，采用ADS7844 12位A/D转换芯片进行PT100温度数据的采集，并将采集到的数据进行中值滤波、求均值处理，以提高数据的可靠性，采用增量式的PID算法实现温度的闭环控制。此外，通过电压电流检测模块实时检测TEC的工作电压和工作电流，以实现对TEC异常工作状态的检测和故障时自我保护的功能。系统总体控制框图如图1所示。

1.2 系统结构组成

温控系统包含电源模块，TEC驱动模块，电压电流检测模块，温度采集模块，A/D转换模块以及控制模块六个模块。详细的系统结构框图如图2所示。下文主要就TEC驱动模块和温度采集模块以及控制模块进行详细阐述。

1.2.1 TEC驱动模块

TEC的驱动模式包括线性模式和PWM模式。线性驱动效率低，发热大，但纹波小。PWM驱动，效率高、发热小，但是纹波大。由于本系统功耗大，因此选用效率高的PWM驱动方式，利用LC滤波电路减小PWM驱动的纹波电压。高功耗同时导致传统的集成度高的TEC专用驱动芯片由于功率小不能满足驱动需求，因此驱动电路采用一对IRS2110和4个IRFS4710MOS管自搭H桥进行PWM驱动。驱动电路如图3所示。

通过控制四个逻辑端IN1，IN2，IN11，IN12实现TEC的正向和逆向导通，从而进行制冷或者加热。其中当IN1，IN12为高时，TEC工作在加热模式；当IN11，IN2为高时，TEC工作在制冷模式。复位情况下，IN2，IN12为高，两个下桥导通，TEC不工作。

IRS2110采用自举电路实现高压侧导通与关闭，因此自举电容的选择尤为重要，图3所示的C10和C120自举电容容值选为4.7uF。LC滤波电路中，电感L2，L3选择振华富的最大电流可达5A的大封装电感，C15，C16两个滤波电容的耐压值为50V。经过LC滤波电路后，输出直流，驱动TEC工作。

1.2.2 温度采集模块

1.2.2.1 恒流源电路

温度采集模块包括恒流源电路和电压信号调理电路两部分。对于温度的采集，选用PT100热电阻作为温度传感器。PT100具有高温度系数，高电阻率，化学物理性能稳定，输出特性良好的特点。此外铂电阻线性度好，测量精度高。PT100在0℃时，其阻值为100Ω，其每摄氏度可以改变几分之一欧姆。由于TEC的控温区在零度以下，PT100的阻值也在100Ω以内，电阻值较小，因此该模块采用施加1mA恒流的方法对PT100电阻值进行测量，电流过大铂电阻会因自身发热造成误差，电流过小又因铂电阻电压信号过弱而受干扰，从而影响测量精度。此外，采用四线制的接法消除了导线电阻的影响，提高了测量精度。四线制接法示意图如图4所示。

1.2.2.2 电压信号调理电路

PT100两端电压反映了温度变化的信号，但此时铂电阻压降太小，经过放大电路调理后才能输入后级电路，因此，该电路主要对电压值进行放大。信号调理电路如图5所示。

信号调理电路由3个运算放大器组成，三个运放构成2级放大电路，最终实现铂电阻两端电压的放大。本电路中，放大倍数为25倍，由恒流源电路和温度与阻值关系可知，PT100两端电压范围为0.0826V-0.123V，经过放大后，输入到下级电路的电压范围为2.065V-3.075V。

1.2.3 控制模块

控制模块是温控系统最为核心的模块，本系统中选用FPGA作控制器，在控制器中实现了数据采集，中值滤波及求均值处理以及增量式PID算法和PWM输出。此外，通过422串口实现了与上位机的信息交换。

数据采集主要是控制ADS7844将温度信号，电压电流等模拟信号转换为数字信号后按照一定时序送入到FPGA中，进而进行后期的数据处理。中值滤波及求平均处理主要针对温度信号进行。对于反馈回的温度信号，首先进行求均值处理，对于均值处理后的数据，再进行9个数的中值滤波，滤波后的数据才作为最终的反馈温度与设定温度作差，进行PID控制。

常用的PID控制算法分位置式和增量式两种控制方法。相比于位置式，增量式控制算法每次输出的是增量，手动/自动切换时冲击比较小，同时出现故障时误动作小[6-8]。因此，本系统选用增量式的PID控制算法对温度进行控制。增量式的PID控制算法表达式如式1所示：

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

通过仿真及多次调试，最终PID三个参数分别为[kp]=1.375，[ki]=1.9375，[kd]=0。

FPGA输出的PWM信号作为驱动器的逻辑信号，控制驱动器高压侧和低压侧的通断，从而控制TEC的通断和电流方向。PWM的产生也在FPGA中实现，FPGA中产生PWM原理如图6所示：

计数器最大计数值为A，其输入的时钟频率为f。在计数过程中，计数器的计数值与寄存器Dx相比较，当计数器的计数值小于D时，比较器输出为高；当计数器的计数值等于D时，电平发生翻转，比较器输出为低，此后一直保持低电平，直至计数周期结束。PWM的占空比计算如式2所示：

[Q=DA] （2）

改变计数器的最大计数值即可改变PWM的周期，本系统中A固定，即周期固定，具体PWM频率设置为200KHz。PID算法计算出来的[ΔU]即是图7中的D，D的变化从而引起占空比的变化，从而调节TEC两端的电压大小，进而控制制冷电流的大小。

FPGA通过422接口与上位机进行信息交换，上位机通过422串口设定预设温度值，同时，FPGA将采集的温度值通过422串口发送给上位机，便于实时观察温度变化曲线与参数整定。

2 实验结果

在实验室，在室温下，分别设定制冷温度为-10℃和-15℃，其实验结果如图7和图8所示。

从图7和图8可看出，温控系统很好地达到了预定目标，温度控制精度保证在2℃范围之内。后期，探测器与TEC整体封闭后，将进行-40℃制冷实验，以验证系统在更低温度下的制冷效果。

3 结论

本文以FPGA作为控制器，利用TEC热电制冷，采用增量式PID算法，实现了成像组件的温度控制。实验结果表明，温度控制精度可达±2℃，能够满足实际应用，具有一定的工程应用价值。后期通过整合优化参数，可以进一步提高控制精度。

参考文献：

[1] 姚立斌. 低照度CMOS图像传感器技术[J]. 红外技术， 2015，35（3）.

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[5] 周帅，张彤，崔一平. 一种TEC温度控制模块的电路设计与仿真[J]. 电子器件， 2008，31（5）.

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[8] 王尔申，张淑芳. 基于DSP的PID高精度温度控制系统的设计[J]. 仪表技术与传感器， 2007，6（1）.