基于MSP430的SLED控制系統(tǒng)的設(shè)計

自1971年Kurbativ等人首次制備出半導(dǎo)體SLED以來，SLED得到了驚人的發(fā)展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時域發(fā)射儀等方面得到了廣泛的應(yīng)用。SLED兼有LD和LED的優(yōu)點(diǎn)，是一種自發(fā)輻射單程光放大非相干光源，具有發(fā)射譜寬、高輸出功率、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。另外，由于其時間相干性短和空間相干性長，能有效地將光耦合進(jìn)單模光纖。

對于SLED來說，其出射光功率及中心波長會隨著驅(qū)動電流和管芯溫度的漂移而發(fā)生變化。為了獲得良好的光源性能，SLED管芯的電流和溫度控制精度必須達(dá)到一定的水平。基于實現(xiàn)輸出功率穩(wěn)定、可靠，輸出波長準(zhǔn)確的目的，筆者設(shè)計了基于MSP430F449單片機(jī)的智能數(shù)字化SLED控制系統(tǒng)。

SLED特點(diǎn)介紹
系統(tǒng)采用了美國DenseLignt公司的DL-CS5029N SLED光源組件，它采用了標(biāo)準(zhǔn)的DIL14腳帶尾纖的耦合封裝，內(nèi)置了熱敏電阻和制冷器。內(nèi)置的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，阻值隨溫度升高而減小，常溫下(25℃)阻值為10kΩ。其中，該光源組件的TEC的制冷電壓最高為1.8V，制冷電流為0.8A，在設(shè)計驅(qū)動電路時注意不要超過這個參數(shù)限制。

當(dāng)光源工作時，溫度會升高，這對輸出功率影響很大。當(dāng)輸入電流不變時，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過高也會影響光源的使用壽命。因此，要想穩(wěn)定功率，解決驅(qū)動電流和溫度的問題很重要。SLED的驅(qū)動控制多采用恒流控制和制冷器控制，當(dāng)溫度不變時，輸出光功率就隨電流增加而增加。基于上面這幾點(diǎn)特性要求，穩(wěn)定輸出功率的驅(qū)動光源電路要從控制驅(qū)動電流和制冷器入手，通過穩(wěn)定電流和溫度，間接來穩(wěn)定輸出光功率。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
系統(tǒng)主要實現(xiàn)了恒流驅(qū)動及恒溫控制等功能。整個系統(tǒng)由單片機(jī)控制。單片機(jī)采用MSP430系列的F449單片機(jī)，它是TI公司推出的超低功耗16位單片機(jī)，尤其適合于小型的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達(dá)200ks/s。系統(tǒng)中，電橋電路對溫敏電阻進(jìn)行電壓采樣，送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過內(nèi)部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個電壓來控制專用的半導(dǎo)體制冷器（TEC）控制芯片，以達(dá)到對SLED進(jìn)行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結(jié)合恒流源電路來實現(xiàn)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

恒流源電路設(shè)計
系統(tǒng)對恒流源的要求是電流高度穩(wěn)定，漂移和噪聲足夠小。采用高精度DAC作為恒壓源，再通過V-I轉(zhuǎn)換電路就構(gòu)成了數(shù)字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統(tǒng)采用美信公司的12位串行DAC MAX5812結(jié)合兩個運(yùn)放組成V-I轉(zhuǎn)換電路。其中，MAX5812與單片機(jī)的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時要外接上拉電阻。

圖2 恒流源電路原理圖

該恒流源克服了模擬式恒流源的缺點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩(wěn)定度與DAC精度有關(guān)，如果采用更高位數(shù)的DAC就可以做成更高精度的恒流源。

溫控電路的設(shè)計
1 溫度采樣電路設(shè)計
該光源模塊組件采用溫敏電阻來反映管芯溫度，溫度采樣電路如圖3所示。采用電阻橋式電路，后面配合專用的橋式放大芯片和電壓調(diào)理轉(zhuǎn)換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉(zhuǎn)化為適合于單片機(jī)ADC輸入的量程范圍內(nèi)。

圖3溫度采樣電路