基于MSP430的SLED控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

MSP430的ADC基準(zhǔn)有片內(nèi)和片外兩種。雖然選用片內(nèi)基準(zhǔn)就可以不外接，減小電路的復(fù)雜程度，但因?yàn)樗璧霓D(zhuǎn)換精度較高，且片內(nèi)基準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 TEC控制電路設(shè)計(jì)
TEC控制器按輸出的工作模式可分成線性和開關(guān)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(gè)簡(jiǎn)單的線性驅(qū)動(dòng) TEC電路由兩個(gè)推挽功率三極管構(gòu)成，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)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(guān)型驅(qū)動(dòng)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(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度，每個(gè)加載在 MAX1968電流控制輸入端的電壓對(duì)應(yīng)一個(gè)目標(biāo)溫度設(shè)定點(diǎn)。適當(dāng)?shù)碾娏魍ㄟ^(guò)TEC將驅(qū)動(dòng)TEC對(duì)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(jī)運(yùn)算后反饋給MAX1968，用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動(dòng)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(lái)控制流過(guò)TEC的最大正向和反向驅(qū)動(dòng)電流，MAXIV引腳的電壓用來(lái)設(shè)置TEC的最大驅(qū)動(dòng)電壓。通過(guò)一個(gè)分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)引腳電壓的設(shè)定，如圖4所示。CS和OS1引腳之間的電阻RSENSE用來(lái)設(shè)置流過(guò)TEC的最大工作電流，這里選用了200mΩ的電阻。當(dāng)VCTLI>1.5V時(shí)，MAX1968制冷，反之制熱。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)驅(qū)動(dòng)不同的SLED光源組件，合理設(shè)置參數(shù)即可。

系統(tǒng)中主控回路采用負(fù)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(guò)DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的電壓、電流的大小和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制冷或制熱。

3 控制方法
在系統(tǒng)中利用單片機(jī)作為微控制器，通過(guò)ADC、DAC轉(zhuǎn)換和PID算法，輸出模擬量給MAX1968的CTLI，以驅(qū)動(dòng)TEC實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(dòng)態(tài)性能好、控制精度高等特點(diǎn)，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(dá)式為
Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei]
式中，ui是第i次PID運(yùn)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(shè)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(guò)調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)，可以使得溫控系統(tǒng)處于一個(gè)控制快速，準(zhǔn)確的工作狀態(tài)。

鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)
鍵盤采用3鍵式獨(dú)立按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制算法三個(gè)參數(shù)的設(shè)置以及報(bào)警等功能的設(shè)計(jì)。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(lái)實(shí)現(xiàn)。顯示電路采用RT1602C，這是一種能同時(shí)顯示16×2個(gè)字符的液晶，內(nèi)部存貯有常用的點(diǎn)陣字符圖形，方便易用。由于是5V電壓操作，而MSP430單片機(jī)在3.3V工作，因此采用了一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245DB來(lái)完成轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該系統(tǒng)在室溫下對(duì)功率為0.2mW左右的SLED光源組件DL-CS5029N進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其穩(wěn)定度優(yōu)于0.1%。

結(jié)語(yǔ)
采用“數(shù)控恒流源+高精度溫控”的方案，設(shè)計(jì)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(guò)多次試驗(yàn)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(dòng)方案，具有較好的發(fā)展前途。