EMCCD冷指温度控制系统*

袁尤西，李彬华，程向明，金建辉

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500；2.中国科学院云南天文台，云南昆明 650011）

EMCCD冷指温度控制系统*

袁尤西1，李彬华1，程向明2，金建辉1

（1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南昆明 650500；2.中国科学院云南天文台，云南昆明 650011）

为了对EMCCD冷指温度进行精确的控制，介绍了一种新的温度检测与控制系统的设计方案。该系统采用铂电阻Pt1000作为温度敏感元件，AD7705作为模数转换模块，以单片机STC89C52为核心实现数据采集与加热控制功能。温度数据可以在系统的液晶屏上实时显示，也可通过RS232串口传至上位机进行显示、存储。系统测试时，分别采用了20 V和18.5 V的电源电压对EMCCD冷指进行加热。测试数据的统计分析表明，该系统能将EMCCD冷指温度控制在一个设定低温值（如-100℃）附近，系统误差在0.006 8℃以内。

CCD；制冷；温度检测；单片机；统计分析

暗电流是指在没有光照情况下，半导体光电成像器件工作时产生的热电流［1］。它的存在会对光电器件的成像质量造成一定的影响，例如，当CCD器件在暗电流特别大（即暗电流尖峰）时，对应区域的图像上将会出现白斑［2］。暗电流的大小与半导体器件工作时的温度有关，一般每降低5～7℃，暗流就减小一半［3-4］。使用天文CCD相机时，必须将暗电流控制在尽量小的范围内［1］。通常的做法是对微光探测或者长曝光相机中的CCD器件进行深度制冷并维持在一个合理的温度范围。因此，天文用相机需要对CCD冷指温度进行较为准确的检测与控制。

目前，科学级CCD相机制冷通常采用3种方法：热电制冷、压缩机制冷和液氮制冷。由文［5-6］作者对热电制冷（Thermo-Electric Cooling，TEC）分析可知，热电制冷虽然结构简单，但只适宜于微型制冷领域或有特殊要求的场合。CryoTiger cooling压缩循环制冷可以深度制冷并维持在-130℃［7］，但由于其结构相对复杂，成本也较高，并没有广泛使用［5］。液氮制冷则具有较大的制冷范围，操作简单，技术相对成熟［8-10］等诸多优点，是天文用CCD相机中使用较多的制冷方法。

温度传感器种类较多，但在CCD相机中，常用且较为简单的小型二端器件有二极管和铂电阻。二极管作为温度检测敏感元件的前提条件相对苛刻：只有当二极管电流保持不变的时候，PN结正向压降V才随温度T的上升而下降，近似成线性关系［9］；云南天文台1号CCD相机和Lick NewCam CCD控制器就采用二极管作为温度检测元件［10］。铂电阻Pt100和Pt1000，测温范围大，测温精度高，具有很好的重现性和稳定性［11-12］，广泛用于工业测温等各方面。中国科学院国家天文台天文探测器技术实验室和昆明理工大学天文电子信息技术实验室的几个CCD相机就采用了铂电阻作为温度检测元件。

本文根据天文光子计数成像对EMCCD冷指制冷的要求，设计制作了一套EMCCD冷指机构，提出一种新的制冷温度检测与控制系统的实现方案，对系统进行了多次实测，并对测试结果进行了统计分析。

1 EMCCD冷指设计

本文所用EMCCD器件采用液氮制冷。EMCCD器件贴装在冷指正面，正常工作时需要将其温度控制在-100℃附近，这样可以极大的降低暗电流引起的噪声。

铜和铝都是热的良导体。与铝相比较，铜导热稍好但重量稍重。在CCD相机的冷指机构中，铜质材料使用最多，但也有使用铝材的例子［13］。为了减小CCD冷指给CCD电路板带来的重力影响，在本设计中，EMCCD冷指选用金属铝制作。在综合考虑EMCCD器件尺寸、电路板结构和所用杜瓦瓶内部结构和空间布局后，完成了该EMCCD冷指及其支撑部件的设计和加工制作，冷指外形如图1。

图1 EMCCD冷指示意图Fig.1 Sketch Drawing of the EMCCD cold finger

图中标号1是安装Pt1000的凹槽，体积略大于铂电阻Pt1000体积；标号2是安装加热电阻的通孔，体积略大于1/4W金属膜电阻体积，但不破坏制冷铜带安装螺孔；标号3是CCD冷指安装在PCB板上的螺孔，每个角上各有1个，共4个；标号4是安装制冷铜带的螺孔。

2 硬件电路设计

EMCCD冷指温度控制系统以MCU为核心，其周边硬件电路部分主要由PT1000电阻网络、ADC模块、RS232通信接口以及加热电路模块等组成，系统框图如图2。

图2 温度控制系统框图

Fig.2 Block Diagram of the temperature control system

冷指温度检测采用PT1000作为温度敏感器件，与温度相关的参量经过AD7705转换为数字信号，送入MCU中进行暂存、校准计算和显示，并与温度阈值进行比较，根据比较的结果对温度加热电路进行相应的控制。此外，上位机（即PC）可以通过RS232接口设置冷指控制温度，MCU可以将温度数据通过RS232接口传至上位机进行实时显示并可保存至硬盘。

2.1 温度检测电路

本系统采用铂电阻Pt1000作为温度敏感器件，它是一种利用金属铂（Pt）的阻值随温度变化而变化的物理特性制成的温度传感器［14］。以铂电阻作为CCD冷指温度测量的关键在于准确地测定出铂电阻阻值。本设计中所采用HAYASHIDENKO公司生产的符合IEC751标准的Pt1000铂电阻，其温度系数TCR=0.003 851。由Pt1000的应用手册可知，这种铂电阻在不同温度下阻值与温度的对应关系为：

式中，Rt是在t℃ 时的阻值；R0是在0℃时的阻值。当TCR=0.003 851时，参数a、b、c的值如表1。

表1 TCR=0.003 851时，系数a、b、c值Table 1 The values of the parameters a，b，and c for TCR=0.003 851

本设计中将Pt1000与3个阻值相同的电阻和1个电位器共同构成电桥，用于检测CCD冷指端温度。如图3。其中Pt1000采用二线制接法，电位器Rv用于调整起始平衡点。在R1=R2=R3，Rv的值相对不变的情况下，铂电阻Pt1000的阻值随温度的变化而改变，进而引起电压值 V（AIN1+，AIN1-）的变化。通过推导，可得V（AIN1+，AIN1-）值与Pt1000的关系为

式中，RPt1000是铂电阻在某一温度值下对应的阻值； V（AIN1+，AIN1-）是与铂电阻阻值相对应的电压值；Rv'是电位器引入电桥中的阻值，在实际过程中用万用表测量得到。

图3 Pt1000电桥Fig.3 Pt1000measurement bridge

2.2 A/D转换电路

AD7705是一种适合低频信号测量的A/D转换器。片内带有2个全差分输入通道AIN1，AIN2，能将外部引入的模拟信号转换成串行数据输出。它具有16位无丢失代码，0.003％非线性，可编程增益前端（PGA），三线串行接口及对模拟输入具有缓冲等特点［15］。

本设计中，AD转换电路主要由AD7705构成，选用差分通道AIN1，输入双极性信号，同时将利用它内部集成的PGA实现差分信号的放大功能。

利用AD7705实现数据转换电路原理如图4。在实际工作时需要通过MCU对其进行初始化与通道配置，其流程如图5。在测量过程中，误差的主要来源除了铂电阻的误差外，还取决于A/D转换器件参考电压REFIN+的精度。为了使误差进一步降低，本设计中选用REF192作为A/D器件转换的参考电压，其误差范围低于±2mV［16］。并且通过单片机内部的算法处理，将误差降低至理想范围。

图4 A/D转换电路Fig.4 A/D conversion circuit

图5 AD7705初始化与配置Fig.5 Flowchart of the initialization and configuration for AD7705

2.3 开关控制电路

实现EMCCD冷指温度调节（即加热）功能的电路原理如图6。在控制电路中加入光电耦合器件TLP521可将模拟信号与数字信号进行隔离，同时起保护MCU的作用。电阻R15为EMCCD冷指加热执行电阻，其阻值选用200Ω。工作时，DV+20 V一直处于上电状态。

当EMCCD冷指的温度低于系统预设阈值时，MCU将使引脚HeatControl置为高电平。从图6可知，当引脚HeatControl为高电平时，TLP521截止，使达林顿管MJD112饱和导通，电流通过加热电阻R15，提供约2W的加热功率，从而对EMCCD冷指加热。

3 程序设计

MCU采用STC89C52单片机［17］作为整个电路的主控制器件，完成系统与上位机（即PC）的数据通信、对A/D转换器的配置、温度数据的采样与处理、EMCCD冷指加热开关控制等任务。因此，系统设计工作除了上一节介绍的硬件电路设计之处，还涉及上位机和下位机的控制与数据采集程序的设计。

图6 EMCCD冷指加热开关控制电路Fig.6 Switch-control circuit for heating the EMCCD cold finger

3.1 上位机软件

上位机与系统的数据通信采用RS232串行通信方式进行。上位机软件实现的主要功能有COM号设置、波特率设置、目标温度设置、温度数据显示、温度数据存储等。上位机软件初始设置默认串口号为COM1、波特率为9600、目标控制温度为-100℃。采用Visual C++进行上位机软件的设计。由于该软件要实现的是几个比较通用且简单的功能，使用MFC很容易实现，在此就不再进行介绍了。

3.2 MCU代码

温控系统工作时，下位机通过串口及其默认的端口设置，可接收上位机指令，并可按上位机的要求重新对COM口及其波特率进行设置。另外，还可实现温控系统的冷指目标温度设置、温度数据上传等功能。不过，温控系统要实现的最重要功能是冷指温度的测量与控制。因此，下面重点介绍温度数字化过程与控制要求，及其与之相关的MCU程序设计方案。

A/D每完成一次数据转换，引脚DRDYn自动置成低电平，从而使单片机进入外部中断处理函数。为了避免偶发性干扰，尤其是给冷指加热的达林顿开关管在截止或导通时刻数据可能出现的跳变，对AD采样数据作如下处理：

（1）将连续采样到的16个Pt1000的阻值，去掉最大值与最小值；（2）将其余14个Pt1000进行均值滤波处理，并返回Pt1000阻值；（3）将返回的Pt1000阻值，结合（1）、（2）式调用温度值计算函数把Pt1000阻值转换成EMCCD冷指温度值。

另外，为了消除系统误差，先根据文［4］的方法，测出冰水混合物的温度TRL。然后根据文［18］的方法并参考Google Earth提供的本地（即实验室）海拔高度数据，计算纯净水沸腾时的温度TRH。最后对实测温度用如下公式进行定标：

式中，TC是定标后的温度值；TP'是未定标时系统采样Pt1000电阻值计算得出的温度值；TPH是未定标时系统所测得冰水混合物温度值；TPL是未定标时系统所测得沸水温度值。

在测定了冷指实时温度后，MCU下一步的工作就是进行冷指温度控制。如果实测温度低于系统设定的EMCCD冷指温度阈值，则使引脚HeatControl置高电平，系统对冷指加热；否则HeatControl置低电平，冷指温度将在液氮作用下继续下降。

根据上述温度数据的定标和控制过程设计的MCU程序的相应流程如图7。

4 制冷实验及测试结果分析

4.1 实验过程

首先，对需要安装于杜瓦瓶内的冷指、电路板及其它附件进行洁净处理。然后将Pt1000安装在图1中标号1的位置，加热电阻R15固定在图1中的标号2的通孔内，铜带用螺栓固定在图中标号4的螺孔处，铜带另一端与液氮罐转接铜块连接，最后将冷指固定于PCB板上。安装后的俯视效果如图8。

图7 温度定标与控制流程图Fig.7 Flowchart of the temperature calibration and control

图8 EMCCD冷指安装效果Fig.8 The EMCCD cold figuremounted in a dewar

安装完毕后，将PFEIFFER真空泵与杜瓦瓶连接上，可以将该杜瓦瓶真空度抽至10-6mbar量级。之后，通过液氮注入装置将液氮加入到杜瓦瓶内，CCD冷指通过铜带与液氮进行热交换。与此同时，将EMCCD冷指温度控制系统上电，并运行上位机上的控制与采集软件，进行冷指控制温度设置，并开始采集、显示和记录冷指温度数据。

4.2 测试结果与统计分析

为了使数据具有对比性，测试实验分两种情况进行，即分别采用20 V和18.5 V电压对EMCCD冷指进行加热。上位机对温度数据的记录速率为每秒1次。为了使数据方便分析，每组采集20 000个数据，记录时间长度大约为5.5 h。两种情况下所测实验数据的Matlab图形化结果如图9。图10为两种情况下的温度数据分布的直方图统计结果。

图9 两组实验数据对比Fig.9 Comparison of the two sets of test data

图10 温度数据直方图Fig.10 Histograms for the two sets of temperature data

从直方图中可以看出，在加热电压为20V、18.5V时，温度值主要分布在［-100.03℃，-99.97℃］之间，并占数据总量的绝大多数。

为了探究系统的控制精度，对所测数据做了进一步的统计分析，结果如表2。从表2中的平均温度可以看出，加热电压为20V时，实测温度平均值为-99.999 0℃，与目标控制温度（-100℃）的系统误差为0.001℃；加热电压为18.5V时，实测平均温度为-100.006 8℃，与目标控制温度的系统误差为0.006 8℃。这两个结果都比Lick NewCam CCD控制器在液氮制冷时的温度控制误差（0.05℃［7］）要小。另外，从表中的测量温度标准差可以看出，加热电压为20 V时的温度波动比加热电压为18.5 V时的温度波动范围稍小。

表2 温度数据统计结果Table 2 Statistics of the two sets of temperature data

5 结论

以上实验测试和数据分析表明，加热电压在18.5 V～20 V之间，该系统基本上能将EMCCD冷指温度控制在-100±0.04℃的范围之内，与目标控制温度的系统误差小于0.006 8℃。这说明EMCCD冷指及其支撑机构的设计、温度控制电路与软件设计是合理的，系统的温度检测与控制达到了天文CCD相机控制器的要求。

致谢：感谢昆明理工大学工程训练中心尹洪友、于立伟、张明三位老师在冷指及其附件机械加工等方面给予的大力帮助。

参考文献：

［1］Janesick JR.Scientific charger-coupled devices［M］.Bellingham，Washington：SPIE Press，2001：605.

［2］冒蔚，季凯帆，李彬华，等.CCD天体测量学［M］.昆明：云南科技出版社，2003：22-23.

［3］FETRICK SW.Generalized approach to cooling charge-coupled devices using thermoelectric coolers［J］.Optical Engineering，1987，26（10）：965-971.

［4］黄善杰.拼接CCD靶面温度控制系统［D］.昆明：中国科学院云南天文台，2010.

［5］潘海俊，阮萍，李福，等.热电制冷器制冷工作电流特性分析［J］.红外与激光工程，2011，40（6）：1006-1010.Pan Haijun，Ruan Ping，Li Fu，et al.Current characteristic analysis of thermoelectric cooler［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（6）：1006-1010.

［6］申利梅，陈焕新，张威，等.影响热电制冷性能的关键因素及其分析 ［J］.红外与激光工程，2011，40（10）：1866-1872.Shen Limei，Chen Huanxin，Zhang Wei，et al.Analysis of the crucial factors affecting the performance of thermoelectric cooling［J］.Infrared and Laser Engineering，2011，40（10）： 1866-1872.

［7］Strassmeier K G，Granzer T，Weber M，et al.The STELLA-I project：a 1.2m robotic telescope for high-resolution echelle spectroscopy［C］//1stPotsdam Thinkshop Poster Proceedings，2002，18（6）：11-14.

［8］Zou Sicheng，Wang Gang.The CCD imaging systems for LAMOST［C］//McLean Lan S，Masanori.Ground-based and airborne instrumentation for astronomy.Proceedings of the SPIE，2006，6269：626922.

［9］林志琦，张洋，朗永辉，等.采用半导体激光器自身pn结特性测温的半导体激光器恒温控制［J］.发光学报，2009，30（2）：223-226.Lin Zhiqi，Zhang Yang，Lang Yonghui，et al.Constant temperature control of semiconductor laser based on temperature characteristics of pn junction［J］.Chinese Journal of Luminescence，2009，30（2）：223-226.

［10］ 李彬华.科学级CCD特性以及相机结构研究［R］.中国科学院国家天文台博士后研究工作报告，2004.

［11］ 黄向慧，黄向东.基于AD537V/F转换器的高精度智能测温仪设计 ［J］.仪器仪表学报，2006，627（6）：1561-1562.Huang Xianghui，Huang Xiangdong.Design of a high accuracy intellectualized temperature measure system on AD537V/F converter［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，627（6）：1561-1562.

［12］ 张瑜，张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计［J］.传感技术学报，2010，23（3）：311-314.Zhang Yu，Zhang Shengwei.A design of high accurate temperature measuring system based on platinum resistance transducers［J］.Journal of Transduction Technology，2010，23（3）：311-314.

［13］ Tim Abbott.Loral 5 Dewar assembly［EB/OL］.［2012-09-14］.http：//www.cfht.hawaii.edu/Instruments/Detectors/CCDs/Loral5/Dewar_head.htm.

［14］ 方益喜，雷开卓，屈健康，等.基于PT1000的高精度温度测量系统 ［J］.电子设计工程，2010，18（10）：79-82.Fang Yixi，Lei Kaizhuo，Qu Jiankang，et al.High-precision temperature measurement system based on PTIO00［J］.International Electronic Elements，2010，18（10）：79-82.

［15］ Analog Devices Inc.AD7705 Data Sheet Rev C［DB/OL］.［2012-09-04］.http：//www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/ad-converters/ad7705/products/product.html，2006.

［16］ Analog Devices Inc.REF192 Data Sheet Rev L［DB/OL］.［2012-09-04］.http：//www.analog.com/en/special-linear-functions/voltage-references/ref192/products/product.html，2011.

［17］ 宏晶科技.STC89C52RC系列英文资料［DB/OL］.［2012-09-04］.http：//www.stcmcu.com，2011.

［18］ 房开瑞.由水沸点温度推测海拔高度和大气压力的简易方法［J］.中国计量，2010（3）：93.

A Tem perature Control System of an EMCCD Cold Finger

Yuan Youxi1，Li Binhua1，Cheng Xiangming2，Jin Jianhui1
（1.College of Information Engineering and Automation，University of Science and Technology of Kunming，Kunming 650500，China，Email：lbh@bao.ac.cn；2.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China）

An EMCCD is a highly sensitive CCD image sensor.At certain high operating temperature dark currents are generated in an EMCCD，reducing the signal-to-noise ratios of images taken by the device.For this reason，the operating temperature needs to be kept as low and stable as possible.This is accomplished by regulating the temperature of a CCD cold finger.The paper presents a new design of a temperature detection and control system of a cold finger.To fit the actual situation，we use certain aluminum material tomake an EMCCD cold finger.This paper shows its structure and assembly steps.A platinum resistor Pt1000 is used as a temperature sensor，which is combined with three resistors of the same type and a potentiometer to constitute a bridge gauge.Based on the characteristics of the platinum resistor and the network structure of the bridge gauge，we deduced the formula for temperature detection.An AD7705 is used as an analog-to-digital converter，and amicrocontroller STC89C52 serves as themaster controller to acquire temperature data from the A/D converter and to control the process of heating the cold finger.The temperature data sampled and calibrated by the microcontroller can be displayed in real time on an LCD，and sent to a PC through the RS232 serial port for display and storage.In addition，the paper gives the temperature-data processing algorithm and the scheme of calibration（for eliminating systematic errors）.We have conducted two test experiments，in which power supplies of 20V and 18.5V are used in the heating circuit，respectively.The statistical analysis of the test data shows that the temperature of the EMCCD cold finger can be controlled in the vicinity of a given low temperature（i.e.，-100℃）and the absolute error can be less than 0.006 8℃.These results show that the EMCCD cold finger，its supporting mechanism，the temperature control circuit，and the software are well designed，making the detection and control of the temperature of the system meeting the requirements for an astronomical CCD camera controller.

CCD；Refrigerating；Temperature detection；MCU；Statistical analysis

TP274.2

：A

：1672-7673（2013）03-0293-08

国家自然科学天文联合基金（10978013）资助.

2012-09-14；修定日期：2012-09-27

袁尤西，男，硕士.研究方向：成像技术.Email：yxyuan-sz@163.com

李彬华，男，教授.研究方向：天文技术与方法.Email：lbh@bao.ac.cn

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673