高精度激光器溫度檢測系統的設計

劉松斌 王夢謙 周長青

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶市第一采油廠電力維修大隊，黑龍江 大慶 163318)

高精度激光器溫度檢測系統的設計

劉松斌1王夢謙1周長青2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶市第一采油廠電力維修大隊，黑龍江 大慶 163318)

設計了一個以AD7793芯片和熱敏電阻為核心的高精度溫度采集電路，檢測結果通過SPI接口實現數據串行同步通信。以TMS320F2812為核心處理器，對采集數據進行快速數字濾波處理并將數據轉換為溫度值進行液晶顯示。實驗結果表明：高精度激光器溫度檢測系統能夠實現對環境溫度的實時檢測，溫度檢測精度在0.2%以內。

高精度激光器溫度檢測系統 AD7793 熱敏電阻 TMS320F2812 SPI通信 有害氣體檢測

近年來，高精度溫度測控技術在工業、科學研究及農業等領域得到了廣泛應用。然而以激光器為主要組成的有害氣體檢測系統，對溫度檢測精度提出了更高要求。根據朗伯-比爾定律，在有害氣體檢測過程中，需通過調節激光器的中心波長，使之與待測氣體的吸收峰相匹配，再根據對光的吸收程度計算有害氣體濃度。半導體激光器的中心波長與工作電流和環境溫度有關，保持工作電流不變，其輸出波長隨溫度變化的范圍為0.3～0.4nm/℃[1]。因此，為了確保激光器正常工作，輸出穩定的中心波長，環境溫度波動范圍需控制在±0.05℃以內，以實現精確的氣體濃度檢測[2]。高精度溫度檢測是實現激光器環境溫度控制的前提，為此，筆者設計了一個高精度激光器溫度檢測系統，通過AD7793溫度采集電路提高環境溫度檢測精確度，使RTD壓降與AD參考電壓同步變化，避免因激勵恒流源波動造成的測量誤差[3]。

1 系統硬件部分

高精度激光器溫度檢測系統(圖1)是一個閉環反饋系統，主要包括數據采樣模塊、以DSP為核心的控制模塊、執行模塊及被控對象等機構[4]。

圖1 高精度激光器溫度檢測系統框圖

1.1溫度采集電路

溫度采集電路負責對激光器環境溫度進行高精度數據采集，然后將采集的數據輸入到DSP，經PID算法處理后輸出給TEC驅動電路，完成加熱或制冷操作，實現對激光器的溫度控制。

AD7793溫度采集電路如圖2所示。AD7793芯片采用Σ-Δ型數據采集調制技術，具有分辨率高、功耗低和噪聲低的特點，廣泛應用于具有高精度檢測要求的系統中。該芯片集成了24位數據調制器、緩沖器、恒流源及片內數字濾波器等，具有較高的集成度[5]；外設3個差分模擬輸入通道，可避免因溫度漂移對AD轉換結果造成的影響；具有自校準、系統校準功能，可消除零點誤差和滿量程誤差；SPI串行通信接口可實現與控制器的靈活數據通信。

1.2激勵恒流源

系統采用10kΩ負溫度系數熱敏電阻(NTC)進行溫度檢測，其典型工作溫度范圍是15～40℃，阻值R隨著溫度的增加迅速降低，具有較高的溫度靈敏度[6]。在實際應用中，NTC會由于電流值的大小產生不同程度的自發熱現象，從而導致環境溫度的檢測誤差。因此，選擇適當的激勵恒流源，確保自發熱誤差小于電路測量和系統要求精度是很必要的。NTC耗散系數δ的計算式為：

圖2 AD7793溫度采集電路

式中ITH——流經NTC的電流；

Ta——環境溫度；

Tb——實際穩定溫度；

UTH——端電壓。

本系統選用的NTC耗散系數為2mW/℃，如果采用210μA激勵恒流源，由NTC溫度阻抗特性可知，其最大阻值為20kΩ，則最高自加熱溫升為：

=0.441℃

因此，若采用210μA激勵恒流源，將嚴重影響系統的測量精度。當采用10μA激勵恒流源時，其最高自加熱溫升為：

=0.001℃

該溫升遠小于激光器允許的溫度波動范圍和檢測系統的測量精度，滿足設計要求。NTC阻值與溫度呈非線性反比例關系，且滿足Steinhart-Hart方程[7]：

1/T=C1+C2×lgR+C3×lg(R)3

其中，溫度阻抗系數C1、C2、C3的計算式分別為：

C1=1.129×10-3

C2=2.341×10-4

C3=0.878×10-7

2 系統軟件部分

DSP處理器在CCS軟件環境中進行基本配置和編程[8]，可完成環境配置、源程序編輯、鏈接、調試及運行結果分析等操作。

2.1SPI數據通信

四線制SPI接口通過DSP靈活控制和配置AD7793片內寄存器，實現采集數據的快速同步串行通信[9]，流程如圖3所示。DSP需進行基本的SPI初始化配置，設置合適的波特率、時鐘模式等，使之與AD7793的時序相匹配[10]。

圖3 通信流程

考慮到DSP的移位寄存器只有16位儲存空間，無法滿足對24位AD轉換數據的一次性存儲，因此將存儲模式設置為8位SPI通信字長，分3次完成對一個AD轉換數據的儲存。如圖4所示，經過配置后的DSP處理器可實現與AD7793的正常SPI通信。

2.2液晶驅動

液晶顯示作為系統的輸出模塊，要求系統具有較高的同步性和實時性，實現對檢測數據的直觀展示。選用OCMJ8X15D字符型液晶顯示屏，通過DSP的GPIO引腳完成驅動顯示，數據通信通過8位I/O口并行傳輸。根據液晶顯示器的時序要求設計了定時器周期中斷時間，傳輸到DSP中的數據經過濾波、換算等數字處理后轉化為所需的溫度數值，等待定時器周期中斷到來后進入中斷函數最終完成溫度數值的輸出顯示。

圖4 SPI通信效果

3 實驗驗證

利用高精度溫度箱對高精度激光器溫度檢測系統的性能進行實驗驗證。在NTC典型工作溫度范圍(15～40℃)內，以溫度梯度5℃進行實驗驗證，結果見表1。可以看出，系統測量誤差小于±0.05℃，完全滿足激光器對環境溫度的要求。

表1 溫度檢測實驗數據

4 結束語

筆者以AD7793芯片為核心設計了恒流源激勵三線制RTD電阻溫度采集電路，保證了熱敏電阻值的精確測量，提高了數據采集精度。RTD壓降與AD參考電壓同步變化，避免了因恒流源波動造成的測量誤差。采用DSP作為系統的核心處理器，憑借其高速數據處理能力，實現了數據的同步通信、數據的快速精確處理，并驅動液晶顯示屏完成了環境溫度的動態顯示。整個系統設計結構簡單，SPI四線制串行通信方式最大程度地簡化了數據通信線路，保證了采集數據的準確傳輸，實現了系統的高精度溫度檢測。

[1] 閆勝利.基于DSP的DFB激光器溫度控制系統設計[J].激光雜志,2014,35(12):93～95.

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[8] 顧衛鋼.手把手教你學DSP:基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

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High-precisionTemperatureMonitoringSystemforLaser

LIU Song-bin1, WANG Meng-qian1, ZHOU Chang-qing2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318China;2.PowerMaintenanceTeam,DaqingOilProductionPlant,Daqing163318China)

Both AD7793 chip and thermistor-cored high-precision temperature acquisition circuit was designed. Through SPI interface, the synchronous transmission of the data measured can be realized. Taking TMS320F2812 chip as the core processor, the collected data

filtering processing and then were transformed into the temperature value for LCD display. Experimental results show that, this system designed can real-time monitor and display ambient temperatures and the detection accuracy stays within 0.2%.

high-precision temperature monitoring system, AD7793, thermistor, TMS320F2812, SPI communication, poisonous gas detection

TH862

A

1000-3932(2016)11-1169-04

2016-04-05(修改稿)