基于STM32恒流恒温超辐射光源系统设计

吴 锋，吴柏昆，余文志，帅 率，钱银博

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)



基于STM32恒流恒温超辐射光源系统设计

吴 锋，吴柏昆，余文志，帅 率，钱银博

(华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074)

随着光纤传感、光纤陀螺等技术的飞速发展，超辐射发光二极管(SLD)运用场所也是越来越多，SLD光源的稳定性对光纤传感系统性能有及其重要的影响，为了提高光纤传感的精度设计了一种基于STM32的恒电流恒温度超辐射光源系统。该系统采用了运算放大器作为放大器件的恒流源电路技术方案确保电流稳定性，使用了PID算法确保温度控制电路稳定性，具有良好触摸屏控制的人机界面。文中对超辐射光源系统的硬件和软件进行了具体阐述。测试结果证明，该系统在正常温度下一定工作时间内都能保证SLD输出功率稳定在±0.01 dBm范围内，能够很好符合相关需求。

STM32；超辐射发光二极管; 恒温度；恒电流；稳定性

0 引言

光纤传感、光纤陀螺等精密测量仪器仪表有灵敏度高、绝对测量和稳定性好等特点[1]，近年来有着飞速的发展，但随着相应的发展，如何提高精度和稳定性成为现在面临的问题。提高光源的稳定性是提高光纤传感系统灵敏度的解决方法之一。光学系统的光源主要有发光二极管(LED)、激光二极管(LD)和超辐射发光二极管(SLD)3种。其中，SLD是具有内增益的非相干光发射半导体器件，其光学特性介于LD和LED之间。与一般LED相比，SLD的输出发散角较小，功率较大，这为提高整个系统信噪比提供了基础。与LD相比，SLD有较短的相干长度，这有助于抑制光学系统中的相干散射噪声，克尔效应和偏振态耦合噪声。因此越来越多的光纤传感系统采用SLD作为系统光源[2]。然而SLD对环境温度和驱动电流十分敏感，如果没有相应的应对措施，其输出的光功率会随着温度和电流的漂移而变化，从而影响整个传感系统的测量精度和工作稳定性[2]。因此设计恒温恒流的SLD光源系统有着非常重要的意义。

1 系统总体设计与工作原理

系统选用采用Cortex-M3系列ARM器件作为处理器，选型为STM32F103VET6[3]。其最高主频达到72 MHz，片内集成2路12位DAC，和3路12位转换速率1 MHz的ADC[4]。其丰富的外围接口能够满足系统设计的需求和将来扩展功能预想。系统框架如图1所示：

图1 系统整体框图

由图1可知系统设计重点为温度控制电路和电流控制电路2部分，其中电流控制部分选用OPA569作为恒流源驱动主芯片，其最大持续输出电流超过2A满足输出功率要求，采用低温度系数的高精度电阻和二极管器件，可以保证电流输出精度。温度控制电路部分选用功率驱动器DRV591作为SLD内部半导体致冷器(TEC)驱动主芯片，其最大输出电流为±3 A，内部集成有H桥，可以以脉冲宽度调制(PWM)方式驱动负载，且能对异常状态给出指示，能够满足较高精度温度控制。系统其余部分包括供电充电电路模块以及触控LCD模块等。

在恒温恒流超辐射光源系统中，光源选用激光器。其驱动电流与SLD输出功率关系曲线如图2所示。

图2 驱动电流与SLD输出功率曲线图

该SLD最大输出光功率为4.3 mW，中心波长为1 559.6 nm，带宽为49.3 nm。热敏电阻可以用来监测SLD的工作温度，TEC可以用来调节SLD的工作温度，使其输出功率和光谱保持稳定。该SLD在一定电流范围内，其电流和输出光功率间有较好的线性关系。

2 硬件设计

2.1 电源系统

电源是系统的基础,一个良好的电源设计是系统稳定运行的前提。为了便于使用，超辐射光源系统采用较为常见的直流12 V电源适配器作为系统外部电源，同时采用2节串联的锂电池作为系统内部电源，其标准电压约7.2 V，满充电压约8.4 V。因此电路需要具有充电管理和电源路径管理功能，并支持自动切换电源供电。系统中各部分电路对电源的需求不同，所以相应选取合适的线性电源和开关电源从而提供多路电源。系统具体电源电路模块结构设计图如图3所示。

图3 系统电源设计图

如图3所示数字电路与模拟电路紧密联系在一起，且功耗相对都较小，为了保障模拟电路的性能，2部分电路都可以采用线性稳压的方式供电。数字电源和模拟电源采用常见的REG-1117作为3.3 V供电芯片。由于PID温度控制电路在运行过程中，可能引入较大电源噪声，因此它不宜与其他电路共用同一路电源，并且其对电源纹波性能没有严格要求，所以可以采用开关稳压芯片TL1963提供3.3 V供电。激光器驱动电路要求电源品质良好，并且功率相对较大，所以应选用功率较大的线性电源，在不同情况下电压需求不同，所以可以采用可调线性电源LM2596，实际使用时设定为4.5 V。

2.2 恒流驱动电路

设计SLD驱动电路，着重考虑3方面的问题。首先，电路应具有稳定的功率驱动能力。如果电路输出电流能力过小，SLD将不能达到需求的输出光功率，系统信噪比也将受到限制，使用范围必定受到限制。其次，电路必须要有安全可靠，必须设计过流过压保护、浪涌静电保护和高温保护的相关保护电路，否则都有可能损坏SLD。最后，电路电流输出必须保持稳定，否则会影响SLD功率的输出稳定。

以运算放大器作为放大核心器件的压控恒流源电路设计思路为：采用小阻值精密电阻作为采样电阻与负载串联，将采样电阻两端电压以反馈到放大电路输入端实现输出电流的反馈控制[5]，其示意图如图4所示。

图4 典型压控电流源示意图

根据运放“虚短虚断”概念,当电阻取值为R2=R4,R1=R3的情况下。该压控电流源的输出应为：

Io=R2·(Vi-Vref)/R1·Rs

(1)

在硬件上主要对于SLD进行了过流保护与电压钳位保护，对于电流过流保护，可以采用保险元件结合电流实时监测的方式。选用了熔断式保险元件而非自恢复型保险元件，当输出电流超过系统设定值时，保险丝熔断，熔断后不能自我恢复，从而避免系统进入开启关闭交替的振荡状态，同时使用仪用放大器对采样电阻两端电压进行跟踪放大并送入STM32进行检测，一旦出现电流异常，STM32能够立即关闭驱动电路。对于过压保护，采用了稳压管和瞬态抑制二极管双重保险，这两者都可以利用反向击穿特性来将电压钳制在正常电压范围内，可以防止电路的过压与浪涌对SLD破坏。二者的不同之处是稳压管可以耐受较大的功率，但响应速度较慢，响应时间一般在毫秒级别，而瞬态抑制二极管具有相对较快的响应速度，响应时间一般在纳秒级别，但不能耐受较大的功率。所以可以采取两种特性互补的器件搭配使用的方法，来对SLD实现更完善的保护。

2.3 恒温控制电路

恒温控制与温度保护是系统设计另一重要部分，如图5所示SLD内集成了有负温度系数的热敏电阻，其设定温度25°时，其阻值为10 kΩ，当SLD内部温度失控上升到一定温度下，热敏电阻值不断减小，当其小于5.1 kΩ时比较器LM393输出电平发生变化，从而STM32控制激光器驱动关闭，保护激光器工作在正常温度下。

图5 温度监测电路

SLD激光器内部集成有TEC，对其进行正向或反向通电，可分别对SLD实现制冷与加热作用。通过激光器内部热敏电阻来监测SLD温度情况并对TEC功率进行反馈控制，可以使SLD的工作温度维持稳定。

图6 温度控制电路工作流程图

图6为温度控制电路示意图，温控电路一般为一个闭环控制系统，由温度传感电路、仪用放大电路、PID控制电路、DRV591驱动电路与TEC等环节构成。其中难点为的是PID控制电路[6]，PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法。比例P反应系统的基本偏差，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降；积分I反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度；微分D反映系统偏差信号的变化率,具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用。对于不同系统，PID系数也不尽相同，需要根据实际情况估算，通过对恒流恒温超辐射光源系统仿真和实际实验测定，选取合适的电阻电容值数值作为PID系统参数，其系统参数和PID控制电路如图7所示。

图7 PID控制电路

3 软件设计

系统程序利用STM32的固件函数库在Keil uVision4开发平台下采用C语言编写，Keil开发环境完全支持ARM Cortex M3系列处理器，集成编译器、汇编器、实时操作系统、项目管理器、调试器等，便捷高效[7]。系统程序模块化设计，由初始化程序、触控LCD通信程序、激光器驱动程序、激光器温控程序、电池电量测试程序等组成。系统主程序流程图如图8所示。

图8 系统主程序流程图

STM32主控芯片通过UART串口通信模式与触控LCD屏幕控制芯片通信，系统操作人员通过配置触控屏幕显示参数可以修改STM32中寄存器相关电流温控参数，从而控制系统电流与温控。

4 系统测试

根据文中所述的设计方案,设计完成的恒流恒温超辐射光源系统的实物如图9所示。

图9 恒流恒温超辐射光源实物图

在室温18 ℃条件下，设定不同驱动电流测试恒流恒温超辐射光源系统，测试数据如表1所示。

表1 不同驱动电流下SLD输出功率表

测试数据表明，在室温条件下，使用不同驱动电流测试系统稳定性，系统在正常温度下一定工作时间内都能保证SLD输出功率稳定在±0.01dBm范围内。另外对系统进行了从0℃到40℃每5℃持续20min的温度循环试验，表明系统在0℃到40℃范围内都有相当的稳定性。实验数据证明，恒流恒温超辐射光源系统能够满足方案设计需求和实际工程运用要求。

5 结束语

本文提出了使用STM32F103VET6作为主控芯片，以OPA569作为恒流电路驱动主芯片，功率驱动器DRV591作为温控电路驱动主芯片基础的恒流恒温超辐射光源系统方案。给出了系统的总体框架图，阐述了各个重要系统模块的硬件设计和主要的软件流程图。最后完成系统实物的搭建和测试，实验数据证明了设计方案的可行性和准确性，满足光源输出光功率恒定的需求。恒流恒温超辐射光源系统现已在实验室日常光纤传感实验中作为系统光源得到应用。

[1] 李海燕.光纤传感器的现状和展望.仪表技术与传感器，2009(S1):403-405.

[2] 王贵甫,贺安之,李振华,等.SLD光源对光纤陀螺性能的影响.传感器与微系统，2006(6):28-30.

[3] 瓮嘉民,陈志武.基于STM32F105 的动态自动称重系统设计.仪表技术与传感器,2012(12):111-113．

[4] 彭刚,秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践.北京:电子工业出版社，2011．

[5] EMMANUE S.利用电压基准产生稳定流入电流源.电子设计技术，2010(5):83-85.

[6] 韦庆志.基于ARM的模糊PID温度控制系统的研究:[学位论文].镇江:江苏大学,2010.

[7] 徐大诏,李正明，刘军.基于STM32的便携式矿用多气体检测仪的设计.仪表技术与传感器,2014(3):14-16.

Design of Constant Current and Constant Temperature System ofSuper Luminescence Diode Based on STM32

WU Feng, WU Bo-kun, YU Wen-zhi, SHUAI Shuai, QIAN Yin-bo

(College of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

With the rapid development of optical fiber sensor and optical fiber gyro, there is a widely need of super luminescence diode (SLD). The stability of SLD light source has important influence on the performance of optical fiber sensing system. A constant current and constant temperature system based on STM32 was designed in order to improve precision of the system. The method of taking operational amplifier as device for constant current source circuit technology was used to ensure the current stable. And the PID controller was used to ensure the stability of the temperature. The system also had well touchscreen-controlled human interface. This paper made a specific description about the hardware and software of the constant current and constant temperature system. The experimental results prove that the system can ensure the output power of the SLD within the scope of ±0.01 dBm in the appropriate temperature ,thus meeting the correlation requirements well.

STM32; super luminescence diode; constant current; constant temperature; stability

2014-11-20 收修改稿日期：2015-03-08

TN29

A

1002-1841(2015)08-0082-03

吴锋(1990—)，硕士研究生，主要研究方向为光电信号处理，光纤传感技术。E-mail：wufeng94wo@sina.com

钱银博(1982—)，博士后，主要研究方向为光纤传感及光电测试仪器仪表设计。E-mail: qianyinbo@hust.edu.cn