基于MSP430的SLED控制系統(tǒng)的設計

MSP430的ADC基準有片內(nèi)和片外兩種。雖然選用片內(nèi)基準就可以不外接，減小電路的復雜程度，但因為所需的轉(zhuǎn)換精度較高，且片內(nèi)基準的溫度系數(shù)較大（100×10-6/℃），這里選用了精度比較高的片外基準電壓源MAX6173。它的輸入電壓為4.5～40V，輸出電壓為2.5V，最大溫度系數(shù)為3×10-6/℃，可以達到設計要求。

2 TEC控制電路設計
TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關兩種。傳統(tǒng)SLED的溫度控制大多采用線性模式的TEC控制器，一個簡單的線性驅(qū)動 TEC電路由兩個推挽功率三極管構成，雖然具有電流紋波小且容易設計和制造的優(yōu)點，但功率效率低，控制精度不高，電路集成度較低，而且存在溫度控制“死區(qū)”問題。

本系統(tǒng)采用美信公司的MAX1968，它是一款適用于 Pehier TEC模塊的開關型驅(qū)動芯片，工作于單電源，能夠提供±3 A雙極性輸出，采用直接的電流控制。MAX1968用于設定和穩(wěn)定TEC的溫度，每個加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對SLED供熱或制冷。SLED的溫度由溫度采集電路采集后，再經(jīng)內(nèi)部單片機運算后反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動TEC工作。

圖4 溫度控制原理圖

圖4為SLED溫度控制電路原理圖。在電路中，MAXIP和MAXIN引腳的電壓用來控制流過TEC的最大正向和反向驅(qū)動電流，MAXIV引腳的電壓用來設置TEC的最大驅(qū)動電壓。通過一個分壓電路來實現(xiàn)各個引腳電壓的設定，如圖4所示。CS和OS1引腳之間的電阻RSENSE用來設置流過TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當VCTLI>1.5V時，MAX1968制冷，反之制熱。在實際應用中，根據(jù)驅(qū)動不同的SLED光源組件，合理設置參數(shù)即可。

系統(tǒng)中主控回路采用負反饋，將溫度傳感器輸出的電壓與給定電壓比較，所得誤差值經(jīng)PID控制算法處理后，經(jīng)過DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的電壓、電流的大小和方向，進而實現(xiàn)制冷或制熱。

3 控制方法
在系統(tǒng)中利用單片機作為微控制器，通過ADC、DAC轉(zhuǎn)換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTLI，以驅(qū)動TEC實現(xiàn)對SLED的加熱或制冷。這種軟硬件結(jié)合的方法，大大提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。
由于PID控制器具有穩(wěn)態(tài)誤差小、動態(tài)性能好、控制精度高等特點，所以在溫度控制系統(tǒng)中引入數(shù)字PID算法，其離散化的表達式為
Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei]
式中，ui是第i次PID運算輸出量，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后送給溫度控制電路；ei=w－yi，yi是第次溫度采樣值，w是設定溫度下溫度采樣的理論值；Δei=ei－ei-1，Δ2ei=Δe－Δei-1.

P、I、D分別是PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。通過調(diào)節(jié)這三個參數(shù)，可以使得溫控系統(tǒng)處于一個控制快速，準確的工作狀態(tài)。

鍵盤和顯示電路的設計
鍵盤采用3鍵式獨立按鍵，可以實現(xiàn)對PID控制算法三個參數(shù)的設置以及報警等功能的設計。由于MSP430的P1口具有中斷功能，因此鍵盤軟件的編寫采用中斷的方式來實現(xiàn)。顯示電路采用RT1602C，這是一種能同時顯示16×2個字符的液晶，內(nèi)部存貯有常用的點陣字符圖形，方便易用。由于是5V電壓操作，而MSP430單片機在3.3V工作，因此采用了一個電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245DB來完成轉(zhuǎn)換。

實驗結(jié)果
該系統(tǒng)在室溫下對功率為0.2mW左右的SLED光源組件DL-CS5029N進行試驗，實驗結(jié)果表明：其穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。

結(jié)語
采用“數(shù)控恒流源+高精度溫控”的方案，設計了SLED控制系統(tǒng)，并且在系統(tǒng)內(nèi)引入了PID 控制算法。通過多次試驗表明，SLED光源可以顯著提高光源出纖光功率的穩(wěn)定性。數(shù)字控制方法是目前比較理想的驅(qū)動方案，具有較好的發(fā)展前途。