TDLAS檢測系統的激光器驅動電路①

劉松斌 趙 宇 王 威 李晶娜

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.中國石油大慶油田電力職業技術培訓中心)

TDLAS檢測系統的激光器驅動電路①

劉松斌1趙 宇1王 威2李晶娜2

(1.東北石油大學電氣信息工程學院；2.中國石油大慶油田電力職業技術培訓中心)

針對溫度變化對半導體激光器(LD)的輸出激光波長及其工作穩定性的影響，提出運用熱電制冷器TEC構成二級制冷系統，分別對激光器的外部和內部溫度進行精準控制。采用閉環PID電路產生控制信號控制TEC的驅動電流和方向，從而達到制冷和加熱的目的；為進一步實現對驅動信號的濾波，提出采用級聯方式的LTC1064構成四階濾波系統。測試結果表明：TEC溫控系統取得了很好的溫控效果，響應速度快，精度達到±0.01℃，濾波系統有效濾除了正弦波中的直流分量和高次諧波的干擾，滿足激光器對溫度和驅動信號的要求。

激光器 TEC 溫度 濾波 LTC1064

隨著科學技術的不斷發展，激光檢氣技術在工業、科研等領域得到了越來越廣泛的應用。激光檢氣主要基于半導體激光器吸收光譜技術(TDLAS)，這是一種利用激光器的波長掃描和電流調諧特性對氣體進行檢測的技術[1～3]。通過改變激光器發射激光的波長，使光源掃描過待測氣體的選定吸收躍遷譜線，進而檢測被測氣體的濃度。然而，溫度對LD發出激光的性能有很大影響，如輸出光功率、波長等，當激光器內部溫度增加時，輸出波長也隨之增加，波長隨溫度變化的典型值在0.3～0.4nm/℃[4，5]。因此，保證半導體激光器工作溫度的穩定是提高固體激光器性能的重要手段。筆者提出以ARM作為核心控制器，利用DRV592功率放大器驅動TEC形成溫控系統，實現對激光器工作溫度快速、精準的控制，并且利用LTC1064級聯成四階濾波系統對驅動信號進行有效濾波。

1 系統總體設計

激光器驅動系統的總體設計框圖如圖1所示。系統主要包括驅動信號的產生電路和溫度閉環控制電路兩部分。

圖1 激光器驅動系統總體設計框圖

激光器驅動系統的核心處理器是MiniSTM32 V3.0開發板，它以STM32F103RCT6作為MCU，其資源包括：兩個基本定時器、兩個高級定時器、3個SPI、3個12位ADC及一個12位DAC等51個通用IO口[6，7]。該芯片具有低功耗、低成本及高性能等突破性的創新特點，充分滿足本實驗要求。激光器的驅動信號由直流偏置、鋸齒波和高頻正弦波構成。直流偏置對準氣體中心波長，低頻鋸齒波在較大范圍內改變激光器的波長，使它在氣體吸收峰附近進行掃描，高頻正弦波實現對激光器輸出波長的調制。二倍頻正弦波幅值信號與待測氣體濃度成正比關系。溫度控制部分采用閉環PID溫控系統，使激光器的溫度穩定在25±0.01℃范圍內，利用激光器電流調諧技術特性改變其輸出波長，使它在氣體吸收峰附近掃描。

2 TEC溫控系統

熱電制冷器TEC是利用半導體材料珀耳帖效應制成的。珀耳帖效應是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，一端吸熱、一端放熱的現象[8]。當有電流從TEC流過時，電流產生的熱量會從TEC的一側傳到另一側，在TEC上產生“熱”側和“冷”側，這就是TEC的加熱與制冷原理。最終是制冷還是加熱，以及制冷、加熱的功率，由通過它的電流方向和大小決定。由于具有體積小、速度快及控制方便等優點，因而TEC非常適合小型設備的恒溫控制系統[9，10]。

2.1 TEC溫控系統的硬件部分

2.1.1 TEC驅動模塊

采用大功率H橋驅動電路DRV592來驅動TEC，由STM32產生兩路互補的PWM波輸入到DRV592的IN+和IN-兩個引腳。在DRV592芯片內部配置了4個MOSFET組成的H橋，通過H橋來控制MOSFET的導通與關閉，進而控制電流流過珀耳帖器件的方向。通過這種方式實現TEC制冷和加熱。具體的連接方式如圖2所示。

圖2 DRV592連接電路

2.1.2 高精度溫度采集系統

STM32內部的12位ADC轉換不能滿足控制要求，為此，采用高精度AD轉換芯片AD7793，該芯片是適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、帶有3個差分模擬輸入的24位Σ-Δ型數模轉換器，最高有效分辨率可達23位，片內有兩個可編程電流源，有10、210、1 000μA共3種輸出形式[11，12]。

AD7793通過SPI與STM32進行通信，如圖3所示，AD7793的1、16、15引腳分別與STM32的SPI1的SCLK(時鐘信號)、MOSI(主輸出從輸入)、MISO(主輸入從輸出)相連，為了避免高頻信號的干擾，采用外接1MHz的晶振作為AD7793的CLK。通過軟件配置電流源210μA，因為AD7793內部集成了低噪聲儀表放大器，所以可以直接以恒流源通過熱敏電阻，在它兩端產生電壓輸入到AIN1引腳，經過AD7793模數轉換作為TEC閉環溫控系統的反饋量。

圖3 AD7793與STM32的硬件連接電路

2.2 TEC溫控系統的軟件部分

電路采用閉環數字增量PID算法，PID是一種先行調解器，根據給定值r(t)與實際值y(t)構成偏差e(t)=r(t)-y(t),對e(t)構成線性組合進行控制。閉環PID溫控系統的框圖如圖4所示。

傳統的PID控制算法需要對e(t)進行求和，占用較多的計算機內存，比較麻煩。筆者采用增量式PID算法，使得數字調節器輸出只是增量，算式中不需要累加，每一次的增量值只與前后兩次的采樣值有關，容易取得更好的控制效果，加快了系統的響應速度[13，14]。

離散后的差分方程如下：

圖4 閉環PID溫控系統框圖

(1)

(2)

兩次采樣之間的增量為：

Δuk=uk-uk-1

(3)

=Aek-Bek-1+Cek-2

其中Kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。

STM32將采樣溫度與設置溫度的差值作為輸入變量，然后采用PID控制算法進行計算并產生相應的控制量，控制量經由STM32和DRV592功率驅動器產生相應的控制電流驅動TEC，進行制冷或加熱；與此同時，激光器的溫度又通過熱敏電阻反饋到數據采樣電路，從而引入反饋量來調整輸出電流的大小和方向，直到溫度穩定到設定值。

在采樣設計過程中采用數字濾波方法，有效減少了誤差。為防止超調量過大，損壞激光器，在軟件上采用積分分離式PID，當溫度設定值與實際值之差大于3℃時采用PD算法，反之則采用PID算法[15～17]，具體流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

3 濾波環節

為了實現更好的驅動效果，筆者提出采用LTC1064濾波器分別對10kHz和20kHz的正弦波進行濾波。LTC1064是一個低噪聲且諧波失真小的高速開關電容濾波器，內含4個獨立、高速、低噪聲的二階開關電容濾波器結構單元；每個單元通過外部時鐘和3～5個電阻，就可以構成低通、高通、帶通及帶阻等不同種類的二階濾波器，且每個二階濾波器的截止頻率或中心頻率f0取決于外部提供的時鐘頻率[18]。因此，只要通過改變輸入到LTC1064的時鐘頻率就可以靈活地改變濾波器的截止頻率或中心頻率f0。

LTC1064濾波器有主要和次要兩種工作模式，主要工作模式有模式1和模式3，次要工作模式有模式1b、模式2和模式3a。本次設計用到了兩種主要工作模式，模式1的原理如圖6所示，模式3的原理如圖7所示。

圖6 LTC1064模式1的原理

圖7 LTC1064模式3的原理

濾波器A、B和C工作在模式1狀態，濾波器D工作在模式3狀態，分別設計濾波器B和C級聯成四階濾波器，用于對20kHz的正弦波進行濾波；濾波器A和D級聯用于對10kHz正弦波進行濾波。LTC1064的具體連接電路如圖8所示。

圖8 LTC1064的連接電路

4 實驗結果

將采樣得到的溫度值通過串口發送給PC機，使用圖形化編程環境LabVIEW編寫上位機顯示程序。實驗結果如圖9所示，溫度變化范圍在25±0.01℃。通過示波器，對濾波前后的正弦波進行對比，結果如圖10所示。偏置信號、鋸齒波掃描信號和正弦波調制信號的疊加如圖11所示。

5 結束語

激光器驅動系統以STM32為核心控制器，采用熱電制冷器TEC為半導體激光器(LD)制冷或加熱，可以使恒溫系統的波動范圍小于±0.01℃。

圖9 溫控曲線

圖10 濾波前后對比

圖11 偏置鋸齒正弦疊加

設計的LTC1064級聯為四階濾波系統，有效濾除驅動信號的干擾。本設計從溫度控制和驅動信號濾波兩方面為激光器提供了穩定的工作環境。實驗結果證實，該系統可根據不同的工作環境實現不同的恒溫控制目標，工作穩定且可靠性高，具有一定的參考價值和應用前景。

[1] 竇賀鑫.基于TDLAS的氣體在線檢測系統研究[D].天津:天津大學,2007.

[2] 李金義.半導體激光器的寬頻快速調諧及其在氣體檢測中的應用[D].天津:天津大學,2010.

[3] 王小淘.基于FPGA的激光測距系統研究[D].西安:西安工業大學,2013.

[4] 張志榮,夏滑,董鳳忠,等.利用可調諧半導體激光吸收光譜法同時在線監測多組分氣體濃度[J].光學精密工程,2013,21(11):2771～2777.

[5] Castillo S G,Ozanyan K B.Field-Programmable Data Acquisition and Processing Channel for Optical Tomography Systems[J].Review of Scientific Instruments,2005,76(9):5109～5113.

[6] 劉軍.例說STM32[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011:134～149.

[7] 彭剛,秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京:電子工業出版社,2011:213～220.

[8] 孫冬嬌,劉清惓,夏江濤.TEC的半導體激光器恒溫控制系統設計[J].機械與電子,2014,(8):52～55.

[9] 方益喜,雷開卓,屈健.采用PT1000鉑電阻的高精度溫度測量系統設計[J].自動化信息,2011,(6):83～85.

[10] 林志琦,張洋,郎永輝,等.采用半導體激光器自身PN結特性測溫的半導體激光器恒溫控制[J].發光學報,2009,30(2):223～227.

[11] 韓云杰,劉宇紅,包化偉.對多路數據采集存儲的設計實現[J].電子科技,2014,27(6):135～142.

[12] 董鳴.AD7793在高精度溫控設備中的應用[J].電子技術,2012,(8):36～38.

[13] 陳晨,黨敬民,黃漸強,等.高穩定、強魯棒性DFB激光器溫度控制系統[J].吉林大學學報(工學版),2013,43(4):1004～1010.

[14] 黃岳巍,崔瑞禎,鞏馬理,等.基于TEC的大功率LD恒溫控制系統的研究[J].紅外與激光工程,2006,35(2):143～147.

[15] Larrue A,Bouchard O,Monmayrant A,et al.Precise Frequency Spacing in Photonic Crystal DFB Laser Arrays[J].Photonics Technology Letters IEEE,2008,20(24):2120～2122.

[16] 胡鵬程,時瑋澤,梅健挺.高精度鉑電阻測溫系統[J].光學精密工程,2014,22(4):988～995.

[17] 王慶平.用C語言實現數值計算方法及程序實例[M].北京:人民郵電出版社,1999:196～220.

[18] 單財良,魯千紅,羅玉文,等.基于LTC1064的多功能程控濾波器設計[J].空軍預警學院學報,2010,24(1):47～50.

LaserDriverCircuitforTDLASDetectionSystem

LIU Song-bin1, ZHAO Yu1, WANG Wei2, LI Jing-na2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation; 2.TrainingCenterforElectricPowerVocationalTechnology,CNPCDaqingOilfield)

Considering the temperature variation’s effect on both laser wavelength and working stability of the semiconductor laser (LD), applying thermoelectric cooler(TEC) to constitute a secondary refrigerating system was proposed to control both external and internal temperatures of the laser respectively and precisely. Through adopting closed-loop PID circuit to produce a signal to control TEC’s drive current and direction, both refrigerating and heating operation can be realized; in order to filter the drive signals, adopting cascaded LTC1064 to constitute a four-order filtering system was put forward. Test result shows that, the TEC temperature control system has good control effect, fast response and± 0.01 ℃ precision and the filtering system can effectively eradicate DC component’s interference from the sine wave and that from the higher harmonic to satisfy laser’s requirements for both temperature and driving signals.

laser, TEC, temperature, filter, LTC1064

劉松斌(1970-)，副教授，從事電力電子與電力傳動的研究。

TH811

A

1000-3932(2017)03-0279-06

聯系人趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動的研究，1045090829@qq.com。

2016-03-14，

2016-09-14)