田浥彤 王海星

(东北石油大学电气信息工程学院)

激光器高精度温度控制系统的研究①

田浥彤 王海星

(东北石油大学电气信息工程学院)

为使激光器发出的波长准确、稳定，设计并实现了一个激光器高精度温度控制系统。给出系统的软硬件设计，利用抗积分饱和PID算法对温度进行高精度控制。实验结果表明：系统温度控制精度为±0.008℃，调整时间小于30s，满足气体检测对激光器温度控制的要求。

高精度温度控制系统 激光器 抗积分饱和PID算法 STM32

半导体激光器具有转换率高、体积小、重量轻及可靠性高等优点，广泛应用于气体检测、光谱分析及激光雷达等领域[1]。可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)技术利用激光器输出的特定波段的光谱，扫描被检测气体的吸收跃迁谱线，并提取探测信号中的二次谐波以获取相应的气体浓度信息[2]。激光器是一种极其脆弱的光学元件，影响其使用寿命的因素很多，其中温度是最重要的因素之一。激光器在工作时热耗很大，约占总功耗的50%～70%，若不能及时散热会使温度急剧上升，导致输出功率下降进而影响使用寿命[1]。同时，激光器输出波长也受温度影响，典型值是0.1nm/℃。因此，对激光器温度进行高精度控制是极其重要的。

目前，激光器温度控制方式主要分为两种，一种是采用集成温度控制芯片(如LTC1923)实现温度控制，另一种是以嵌入式控制器(如DSP、ARM等)为主控芯片进行高精度的温度控制。两种方式各有优缺点，但第2种方式在应用算法和控制时更加灵活，控制精度一般在0.01～0.05℃。因此，笔者以ARM芯片STM32为主控制器，设计并实现了一个激光器高精度温度控制系统，从ADC精度、TEC驱动及算法等多方面提高激光器温度控制精度。

1 系统硬件部分

激光器高精度温度控制系统(图1)由主控单元(STM32最小系统)、被控对象(Norcada-Near-IR-DFB激光器)、TEC驱动电路(DRV592)、采集模块(24bit高精度ADC芯片AD7793)和上位机(用于观察温度变化)5部分组成。

图1 系统硬件组成框图

STM32是一个基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器，具有价格低廉、功耗低及性能优越等优点，内部集成了高级定时器，可生成互补含有死区的PWM脉冲。STM32最小系统由电源电路、时钟电路、复位电路和程序下载电路组成。Norcada-Near-IR-DFB激光器内部集成了反映温度信息的热敏电阻和执行机构——热电制冷器TEC，通过控制流过TEC的电流方向就可以实现对TEC的加热或制冷。DRV592驱动电路如图2所示，内部集成了高效率、大电流的H桥电路[3]。DRV592的输入(IN+和IN-)是高阻抗输入，可兼容TTL电平信号。从STM32输出的PWM可直接接到DRV592输入端口，只需两路互补的PWM输出即可驱动DRV592完成对TEC的控制。由于TEC材料容易受到快速瞬变产生的电流热应力的影响而导致其使用寿命缩短，所以必须采取滤波手段减小纹波，因此DRV592的输出端需要接LC低通滤波器后再连接TEC，即通过LC滤波装置把来自DRV592的方波信号转换成波动小的直流信号。TEC制造商通常推荐不超过10%的波动[4]。

图2 DRV592驱动电路

高精度温度控制的前提是高精度的温度数据采集，但STM32内部集成的12bit ADC难以满足设计需求，所以采用24bit高精度ADC芯片AD7793进行温度数据采集。AD7793具有功耗低、噪声低的优点，内置一个低噪声、带有3个差分模拟输入的24bit∑-Δ型ADC[5]，集成了两个恒流源模块，可以通过编程选择恒流源的值。AD7793电路如图3所示。热敏电阻采用四线制接法，能够最大限度地降低导线造成的测量误差并提高采集精度。需要特别注意的是，AD7793的分辨率极高，所以印刷电路板的接地和布局尤为重要。印刷电路板在设计时应将模拟部分与数字部分分离，并限制在电路板的特定区域内。为实现最佳屏蔽，接地层一般避免采用蚀刻技术[5]。

图3 AD7793电路

2 系统软件部分

激光器高精度温度控制系统的闭环控制方案如图4所示。将温度传感器采集到的实际温度与给定温度做差，得到偏差信号后送入控制器，控制器输出作用在TEC上，从而实现温度的闭环控制。

图4 系统闭环控制方案

2.1 采集部分程序

激光器中集成的温度传感器为负温度系数热敏电阻，电阻R与温度T的关系为：

其中，C1=1.1289×10-3，C2=2.3415×10-4，C3=8.7674×10-8。

利用Matlab软件拟合出温度、阻值曲线，制作温度、阻值对应表，微处理器通过查表的方式即可得到阻值对应的温度。

数据采集部分的程序流程如图5所示。AD7793通过SPI总线方式与STM32通信，配置AD7793使之对通道1(共3个通道)实现连续采集(采样速率为200Hz)，并使能其10μA电流源和内部基准源。为了最大限度地提高采集精度，程序使用软件滤波方式，即多次采样去掉最大、最小值并求取平均值。时钟SCLK是高频信号，为避免干扰建议将SPI通信线与地线绞接。

图5 采集部分程序流程

2.2 控制部分程序

由于温度变化相对缓慢，TEC控制需要一个相对较低的控制器响应速度，因此经典 PID控制即可达到期望的闭环性能。PID是一种线性控制算法，是一种基于偏差的控制[6]，将偏差e(t)的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量u(t)，对控制对象进行控制。PID的控制规律为：

计算机控制系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，所以连续PID控制算法不能直接在微控制器中使用，需要将它离散化，即采用增量PID控制方法：

Δu(k)=u(k-1)+kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+

kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

如果计算机控制系统采用恒定的采样周期，只要使用前后3次测量的偏差值就可以求出控制量。

温度控制具有特殊性，使用PID算法时易出现积分饱和现象[7]。对于TEC控制，其最大极限输出是占空比为100%的PWM。积分饱和会导致系统失去闭环控制作用，造成系统控制性能恶化，所以需要使用抗积分饱和PID算法消除积分饱和现象。抗积分饱和算法的思路是：在计算控制量输出u(k)时，先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否已经超出限制范围Umax，若u(k-1)≥Umax则只累加负偏差，若u(k-1)≤Umin则只累加正偏差。控制部分程序流程如图6所示。实验中观察到，采样热敏电阻信号时会受到PWM开关时刻的干扰，所以应避免将采集时刻设置在PWM开关时刻，从而降低干扰，提高控制精度。

图6 控制部分程序流程

为了更加直观地观察温度的变化情况和控制效果，将温度值通过串口发送到PC机中，使用图形化编程环境LabVIEW编写上位机显示软件[8]。

STM32系列微控制器的开发环境有很多，常用的是ARM开发工具MDK。MDK是一种嵌入式应用程序，可根据程序流程在MDK中完成对控制算法的编写。

3 实验结果分析

结合硬件设计和软件编程搭建实验平台，完成基于STM32的激光器高精度温度控制系统的设计。图7是系统在设定温度为23℃、室温25℃时的温度控制曲线，可以看出，系统的温度控制精度为±0.008℃。系统长期工作稳定可靠，启动激光器后温度调整时间在30s以内，响应快速。

图7 系统温度变化曲线

4 结束语

针对气体检测领域中对激光器发出波长稳定性的要求，设计并实现了一个基于STM32的激光器高精度温度闭环控制系统。通过提高ADC采集精度、增加滤波环节、将通信线绞接、使用恒流源方法检测热敏电阻值、采用抗积分饱和PID算法、避免采样时刻处于PWM开关时刻以及将高频信号线与地线绞接等方法，提高了系统温度控制的精度。实验结果表明，系统温度控制精度可达±0.008℃，满足气体检测中对激光器温度控制的要求。

[1] 艾淑平.半导体激光器恒温控制单元的控制模式与算法研究[D].长春:东北师范大学,2005.

[2] 王宇.应用于CO气体检测的DFB激光器驱动及温控电路的设计[D].长春:吉林大学,2015.

[3] 林振云.基于DSP的半导体激光器恒温控制器的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[4] 李桂英,岳宇博,李睿.光纤耦合激光器驱动与控制技术研究[J].中国激光,2012,39(4):21～26.

[5] 董鸣.AD7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术,2012,(8):36～38.

[6] 何顶新,王维,徐金榜,等.温控系统中改进的PID算法[J].电气传动,2007,37(8):36～39.

[7] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2011:29～30.

[8] 刘松斌,王海星,马双,等.基于LabVIEW的单片机与PC机串口通信显示系统设计[J].化工自动化及仪表,2015,42(7): 806～808.

High-precisionTemperatureControlSystemforLasers

TIAN Yi-tong, WANG Hai-xing

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

A laser’s high-precision temperature control system was designed to ensure laser wavelength’s accuracy and stability, including the system’s hardware and software design. Having anti-integration saturation PID algorithm adopted to control temperature shows that, the temperature control accuracy can stay at ±0.008℃ and the setting time is less than 30s. This can satisfy laser’s requirements for temperature control accurately.

high-precision temperature control system, laser,anti-integration saturation PID algorithm,STM32

田浥彤(1996-)，本科生，从事控制理论与控制工程的研究。

TH862

A

1000-3932(2017)03-0267-04

声明

联系人王海星(1991-)，硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究，whx1237@163.com。

2016-02-22)

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