基于STM32的半導(dǎo)體激光光源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　半導(dǎo)體激光器是實(shí)用中最重要的一類激光器。半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高，能直接調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器的這些優(yōu)良特性，因而越來越廣泛地被用于國防、科研、醫(yī)療、光通信等領(lǐng)域。由于半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)主要受電流和溫度兩個(gè)物理量影響，因此實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電流和溫度的精密控制十分重要。

　　本方案設(shè)計(jì)了一套完善的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的微控制器是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32F103VCT6,其具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，并以TEC驅(qū)動(dòng)器MAX1968為執(zhí)行器件，MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統(tǒng)外部元件少，因此設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器具有高性價(jià)比和高集成度等優(yōu)勢。

　　1.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　采用激光器為內(nèi)帶背光檢測器，半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）和熱敏電阻集成的半導(dǎo)體激光器，而半導(dǎo)體激光器激勵(lì)方式為電注入，半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的原理如圖1所示。STM32F103VCT6通過ADC采集熱敏電阻、MAX1968和背向光二極管信號(hào)的電壓信號(hào)。

　　為了保證所采集電壓的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，在ADC轉(zhuǎn)換前必須對(duì)所要采集的信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理。然后STM32F103VCT6對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算得到當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的實(shí)際工作溫度和電流。最后根據(jù)當(dāng)前半導(dǎo)體激光器工作的溫度、電流進(jìn)行PID算法的運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號(hào)通過DAC來控制TEC控制器MAX1968,讓其去驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器的TEC,從而控制半導(dǎo)體激光器的電流和溫度。同時(shí)，STM32F103VCT6和計(jì)算機(jī)之間通過串口MAX3232進(jìn)行通信，這樣既可以將半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄，也可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，很方便的調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度、目標(biāo)光強(qiáng)等參數(shù)，滿足不同的實(shí)際需要。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　1.1 主控單元

　　本文使用ST（意法半導(dǎo)體）公司生產(chǎn)的STM32F103VCT6作為核心控制模塊，它比單片機(jī)功能更強(qiáng)，它是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，擁有3個(gè)12位精度采樣的ADC,每個(gè)ADC共用多達(dá)21個(gè)外部通道，ADC的時(shí)鐘頻率最高為14MHz,即它的采樣時(shí)間最短為1us;2個(gè)12位的DAC;4個(gè)中斷源；16內(nèi)核68個(gè)外部；16級(jí)可編程中斷優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷，映射至幾乎所有IO口，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)其典型電路設(shè)計(jì)的中控單元電路如圖2所示。

　　圖2中，STM32F103VCT6采用ADC通過PININ、RT1IN和ITECN三個(gè)接口分別采集背向光檢測器、熱敏電阻和MAX1968的數(shù)據(jù)信息；采用DAC通過ICONTROL和TCONTROL1口控制MAX1968來實(shí)現(xiàn)溫度和電流的反饋控制；同時(shí)，利用RX103和TX103與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。

　　1.2 溫控控制模塊

　　采用MAX1968芯片來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的溫度控制。MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)芯片，工作于單電源，能夠提供±3A雙極性輸出，激光器控制電路利用熱敏電阻反饋激光器管芯溫度，控制電路將其與給定電壓比較，進(jìn)行相應(yīng)硬件或算法處理后，輸出一定電壓給熱電制冷器（TEC），TEC根據(jù)流過電流的方向，對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，使激光器溫度穩(wěn)定在所要求的值。激光器的溫控系統(tǒng)必須滿足控制精度高、溫度穩(wěn)定性好的要求，而且它必須是雙向控制的，以適應(yīng)外界溫度變化和激光功率的變化。