基于STM32的半導體激光光源驅動器的設計與實現

桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 耿建平 黃 菁

半導體激光器是實用中最重要的一類激光器。半導體激光器具有轉換效率高、體積小、重量輕、可靠性高，能直接調制等優點。由于半導體激光器的這些優良特性，因而越來越廣泛地被用于國防、科研、醫療、光通信等領域[1]。由于半導體激光器的輸出光強主要受電流和溫度兩個物理量影響，因此實現半導體激光器驅動電流和溫度的精密控制十分重要[2-3]。

本文設計了一套完善的半導體激光器驅動控制系統。系統采用的微控制器是基于Cortex-M3內核的ARM微控制器STM32F103VCT6，其具有低成本、低功耗等特點[4]，并以TEC驅動器MAX1968為執行器件，MAX1968能高效率工作以減小熱量，而且體積小，系統外部元件少，因此設計的驅動器具有高性價比和高集成度等優勢。

1.硬件系統設計

采用激光器為內帶背光檢測器，半導體熱電制冷器（TEC）和熱敏電阻集成的半導體激光器，而半導體激光器激勵方式為電注入[5]，半導體激光驅動器系統的原理如圖1所示。STM32F103VCT6通過ADC采集熱敏電阻、MAX1968和背向光二極管信號的電壓信號。為了保證所采集電壓的真實性和準確性，在ADC轉換前必須對所要采集的信號進行濾波和放大處理。然后STM32F103VCT6對采集到的電壓信號進行處理、計算得到當前半導體激光器的實際工作溫度和電流。最后根據當前半導體激光器工作的溫度、電流進行PID算法的運算，產生控制信號通過DAC來控制TEC控制器MAX1968，讓其去驅動半導體激光器的TEC，從而控制半導體激光器的電流和溫度。同時，STM32F103VCT6和計算機之間通過串口MAX3232進行通信，這樣既可以將半導體激光器的工作狀態數據發給計算機進行實時顯示和記錄，也可以通過計算機發送控制指令，很方便的調節目標溫度、目標光強等參數，滿足不同的實際需要。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 主控單元

本文使用ST(意法半導體)公司生產的STM32F103VCT6作為核心控制模塊，它比單片機功能更強，它是基于Cortex-M3內核的32位高速ARM微處理器，擁有3個12位精度采樣的ADC，每個ADC共用多達21個外部通道，ADC的時鐘頻率最高為14MHz，即它的采樣時間最短為1us；2個12位的DAC；4個中斷源；16內核68個外部；16級可編程中斷優先級，實時響應外部中斷，映射至幾乎所有IO口，完全滿足設計的要求。根據其典型電路設計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三個接口分別采集背向光檢測器、熱敏電阻和MAX1968的數據信息；采用DAC通過ICONTROL和TCONTROL1口控制MAX1968來實現溫度和電流的反饋控制；同時，利用RX103和TX103與上位機進行串口通信。

圖2 主控單元

1.2 溫控控制模塊

采用MAX1968芯片來實現整個系統的溫度控制。MAX1968是一款適用于Peltier TEC模塊的開關型驅動芯片，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，進行相應硬件或算法處理后，輸出一定電壓給熱電制冷器(TEC)，TEC根據流過電流的方向，對激光器進行制冷或加熱，使激光器溫度穩定在所要求的值。激光器的溫控系統必須滿足控制精度高、溫度穩定性好的要求，而且它必須是雙向控制的，以適應外界溫度變化和激光功率的變化。

MAX1968主要由兩個開關型同步降壓穩壓器組成，在兩個同步降壓穩壓器輸出端配有高效MOSFET，由LX1、LX2引出，經過LC濾波驅動TEC。兩個穩壓器同時工作產生一個差動電壓，直接控制TEC電流，實現TEC電流的雙向控制，雙極性工作避免了線性驅動所存在的“死區”問題，以及輕載電流時的非線性題目，能夠實現無“死區”溫度控制。外部控制電路的輸出電壓加在TEC電流控制輸進端CTL1，直接設置TEC電流。一般TEC+接OS2，TEC-接OS1，OS1和OS2不是功率輸出，而是用來感測通過TEC的電流，流過TEC的電流由下式確定：

式中：RSENSE為TEC電流的感應電阻；VCTL1為外部控制電路的輸出電壓；VREF為參考電壓(1.5V)。

假設正向電流為加熱，則VCTL1＞1.5V為加熱，電流的流向從OS2到OS1，OS1、OS2、CS這3個引腳的電壓關系為：VOS2＞VOS1＞VCS，反之則制冷。開關穩壓器是按周期運作的，以把功率傳輸到一個輸出端，這種轉換方法會在基頻及諧波上產生很大的噪聲分量，但是在MAX1968中是相位轉換并提供互補同相工作周期，所以紋波波形大大減小，抑制了紋波電流和電氣噪聲進進TEC模塊，進而影響LD工作性能。FREQ用來設置內部振蕩器的開關頻率，當FREQ接地頻率為500kHz時，FREQ接電源頻率為1MHz。MAX1968片內帶有的MOSFET驅動器，減少了外部元件，芯片工作在較高的開關頻率下，可以用更小的電感和電容，從而減少PCB(印制電路板)的面積、降低本錢，對于實現激光器的小型化與智能化具有極其重要的作用[6]。利用MAX1968設計出的溫控系統如圖3所示：

圖3 溫控系統

1.3 電流驅動保護模塊

實際操作中，電流難免會出現波動，而這種波動在某種程度上會嚴重影響半導體激光器的性能，嚴重時甚至會燒壞半導體激光器。因此在該激光驅動器的電路中設計了一個電流驅動保護模塊。如圖4所示。這個電流驅動保護模塊主要由一個穩壓二極管D6，瞬變二極管D7和電阻R29構成。其中D7的主要作用是防止反向瞬變電壓的沖擊，即當半導體激光器的兩端電壓發生突變時，半導體激光器兩端的電壓的變化不會太大。R29的作用是防止半導體激光器的兩端出現靜電。如果系統中半導體激光器的兩端出現靜電，那么存在的靜電將會流過R29的兩端，這樣可以保證對于半導體激光器不會產生影響。D6穩壓二極管的作用則是穩定半導體激光器兩端的電壓。由圖可知，當電壓超出預定電壓時，穩壓二極管將會被擊穿，電流會直接經過穩壓管所在的支路直接接地，而不會經過半導體激光器所在的支路，這樣可以對半導體激光器起到穩壓與保護的作用。

圖4 電流驅動保護模塊

2.軟件系統設計

2.1 模糊PID算法設計

一般控制過程存在不同程度地非線性、大滯后、參數時變性和模型不確定性，因而普通的PID控制器難以獲得滿意的控制效果[7]。系統采用模糊控制與PID控制器相結合構成模糊PID控制器。模糊控制是以人的思維判斷方法形成模糊控制規則，在模糊規則的基礎上以模糊量作為實際控制的依據。利用模糊控制給PID控制器在線自根據PID參數自整定原則，其結構框圖如圖5所示。該模糊控制器以采集到真實值Yout與理想值Rin之間的偏差值E和偏差變化率EC為輸入變量，以PID的參數KP、KI和KD為輸出變量。通過控制參數Kp、KI和KD的調節可對控制效果進行調整，最佳的Kp、KI、KD值需要根據實驗進行選擇。

圖5 PID結構框圖

2.2 系統主程序設計

系統軟件程序主要包括數據采集和穩定控制。圖6是主程序流程圖：

圖6 主程序流程圖

系統上電后首先初始化嵌入式微處理器和外設，其次設置中斷服務子程序，開中斷。主控芯片STM32F103VCT6使用內部集成的ADC模塊，采集半導體激光器模塊當前的溫度、功率的數據，并對數據進行一定的處理。首先，調節半導體激光器的溫度，根據實際溫度值與基準值的偏差選擇相應的操作，如果溫度偏差為負，則進行提高反向電流的操作；如果溫度偏差為正，則進行提高正向電流的操作。其次，調節驅動電流，根據實際功率值與基準值的偏差選擇相應的操作，如果功率偏差為負，則進行增大驅動電流的操作；如果功率偏差為正，則進行減小驅動電流的操作。通過溫度與功率的反復循環調節，逐漸使系統輸出達到平衡穩定的狀態，STM32通過串口把相關的數據信息實時傳輸到上位機，上位機可以顯示半導體激光器的工作狀態，并且上位機也可以向STM32發送相應的指令，控制系統的運行狀況。

3.系統測試

根據以上思路設計的光源驅動器實物如圖7所示。

系統選擇光強控制量為3.4mW，溫度控制量為0.4℃，計算機上位機以LabVIEW為操作控制界面。圖9和圖10分別為從LABVIEW顯示界面上顯示溫度和光強檢測圖。

圖7 系統實物圖

圖9 溫度監測圖

圖10 光強監測圖

對比可知，目標量初始改變幅度較大，越接近目標量時，步長越來越小，穩定性很好，系統達到穩定狀態的時間也比較短。當進行大幅度調節即輸入任意鍵值改變目標量時，系統可正常運行，達到了溫度控制精度±0.03℃，激光輸出功率穩定度±0.002dB，可見該驅動器設計正確，且精度高。

4.結論

系統采用低成本、低功耗的ARM微控制器STM32F103VCT6，驅動芯片MAX1968為核心器件，并以模糊PID計算控制量設計與實現了基于STM32的半導體激光光源驅動器。實驗結果表明：該半導體激光光源驅動器溫度控制精度高，性能穩定，具有易于開發、高性價比和高集成度等優點，滿足半導體激光光源驅動器在實際工程上的應用，具有很好的實用性。

[1]棲原敏明.半導體激光器基礎[M].周南生譯.北京：科學出版社，2002.

[2]徐輝，楊昌茂，車振.半導體激光器的溫度特性分析與設計思路[J].水雷戰與艦船防護，2008，16(4)：5l-53.

[3]張書云，孔德超，李書蝶等.帶有半導體激光器壽命檢測的驅動電源的設計[J].激光雜志，2007，28(5)：8l-82.

[4]張勇，董浩斌.基于STM32和LabVIEW的地震數據采集卡的設計[J].電子技術應用，2012，38(10)：72-74.

[5]李峻靈.半導體激光器功率穩定性的研究[D].哈爾濱理工大學，2007.

[6]萬小平，金雷，陳瓞延等.基于MAX1968的半導體激光溫控電路設計[J].單片機開發與應用，2006(12)：65-67.