DFB 激光器波形發生調制系統和溫度控制系統中軟件設計

吳逸飛

摘要：DFB 激光器波形發生調制系統和溫度控制系統中軟件設計在激光器的發射光波長調制實驗中是極其關鍵的部分，軟件框架的構成以及相關邏輯的使用與運行對控制硬件實現相應功能起到了至關重要的作用。本文中軟件框架的編寫仍用Keil5，并基于STM32F1O3實現一定程度的仿真。下面將介紹下該設計整體所應用的原理、相應的硬件設施以及軟件系統的主要模塊、流程以及相應的程序框架。

關鍵詞：紅外;硬件系統;軟件系統;波長;溫度

1 引 ?言

隨著工業生產效率的爆炸式提升，工業廢氣的排放量也隨之大幅度增長。而應人們對于生活環境質量的需求提升，控制廢氣中有害成分、對于工業排放氣體的檢測勢在必行，氣體成分檢測技術已成為一項極為重要的研究課題。于是基于朗伯—比爾定律、紅外光吸收原理進行了DFB激光器調制波長的設計實驗。本文是以DFB激光器的驅動硬件電路方案為依據，設計了軟件驅動系統，并進行了一定程度的仿真與測試。

2 基本原理

2.1 ?朗伯—比爾定律

又稱比爾定律。比爾-朗伯定律是吸光光度法、比色分析法和光電比色法的定量基礎。其定義為：在理想狀態下，對于特定波長的紅外光照射吸收介質，在通過一定厚度的介質后，其吸收了一部分的能量，此時紅外光的光強會減弱。結論是吸收介質的濃度越大，介質越厚，則光束衰減的就更厲害。光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目。

2.2 ? 紅外吸收式原理

光譜吸收法表明許多氣體分子在紅外波段存在特征吸收。根據朗伯-比爾定律，特征吸收強度與氣體濃度成正比例關系。

不同的氣體分子吸收紅外光后，所得的吸收光譜不同。DFB激光器就是就是利用發射不同中心波長的紅外光來檢測多組分氣體分子成分。

3 硬件基礎

系統以 STM32F103VET 單片機為核心控制器。硬件系統主要分為兩個模塊：波形調制模塊和溫度控制模塊，并增加了簡單的控制器芯片保護程序。溫度控制模塊：采用STM32設定所需溫度值，采用DS18B20溫度傳感器進行對溫度的高精度檢測并將發送給STM32控制器，與設定值送入查問放大器后得到偏差信號。溫度控制器接收到這個信號后，通過內部PID控制進行處理，改變通過TEC電流的方向來控制TEC對激光器加熱或者降溫。

波形調制模塊：STM32控制器通過程序命令控制信號發生器芯片產生可調的低頻三角波形和高頻正弦波形，再將兩個波形送入加法器形成調制波形信號。將調制信號送入壓控恒流源電路以驅動激光器。

4 軟件系統設計

4.1 ?軟件系統總體結構

基于硬件基礎，軟件系統整體框架結構如圖 4-1 所示。分為五個模塊：波形發生調制程序、溫度控制程序、顯示程序、中斷程序以及芯片保護程序。

4.2 ?波形發生調制程序

AD9833具有的數據引腳SDATA、時鐘引腳SCLK和幀同步引腳FSY三線結構與單片機相連。單片機傳送數據到AD9833的過程如下：在傳輸串行數據的時候，FSY引腳必須置于低，它是使能引腳，由電平觸發，內部邏輯就表示一個新的數據被載入，即低平有效。這時，在時鐘信號SCLK的下降沿節拍下通過數據引腳SDATA進行16位串行數據的傳輸。單片機寫數據到AD9833時，高位在前，低位在后。

當控制寄存器中的D15D14=00時，代表可以寫入數據到控制寄存器。將D13（B28）=1，代表可以連續寫入28位數據進頻率控制器（頻率寄存器28位），默認為先寫入低14位頻率控制字，再寫入高14位數據到頻率寄存器。若D13（B28）=0，則表示28位數據將分為兩次寫入頻率寄存器。

根據時序圖編寫寫入數據函數，再根據AD9833的工作狀態進行操作。主要程序如下：

void AD9833_GPIO_Config（）; //初始化AD9833端口

void AD9833_Init（）; ?????//AD9833初始化

void AD9837_ConfigAll（unsigned long nFreq1f，unsigned long nPhase1f，unsigned long nFreq2f，unsigned long nPhase2f，unsigned long nFreqlddrv，unsigned long nPhaseldrv）;//設置波形頻率和相位

void AD9837_STARTAll（unsigned short nState）; ??//設置顯示的波形

另外，在STM32F103中通過軟件程序也可做到通過軟件編程DA通道直接產生三角以及正弦波形。而后通過加法電路仍可以實現產生目標信號，以正弦波為例，主要程序如下：

void DAC_Mode_Init（）; ?//初始化DAC，開始DAC轉換

4.3 ?溫度控制程序

溫度控制的軟件流程如圖 4-3 所示。開始進行系統初始化，接著設定所需要的溫度值。同樣地，為了獲得較高精度的測量溫度值，使用溫度傳感器DS18B20進行激光器的溫度采集。而后在主控制器中獲取溫度傳感器的采集數據。將采集樣數據進行均值濾波。

4.3.1 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號。DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s 減為750ms。

使用DS18B20溫度傳感器能夠提高系統的溫度檢測精度，而且能夠無需通過A/D通道計算轉化為相應的電壓值，適當減小硬件系統以及軟件系統構建難度。

4.3.2 溫度傳感器DS18B20的溫度獲取

主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。通過DS18B20進行A/D轉化，獲取相應溫度數據通過串口傳輸給STM總控制器，主要C語言程序如下：

void SysTick_Init（）; ????????//配置系統滴答計時器

void LED_GPIO_Config（void）; ????????// LED 端口初始化

void USART_Config（void）; ????????//初始化串口1

void DS18B20_Init（void） ????????//初始化DS18B20

void DS18B20_ReadId（u8 ucDs18b20Id）; ?// 讀取 DS18B20 的序列號

void DS18B20_GetTemp_MatchRom（u8 ucDs18b20Id）

//打印通過 DS18B20 序列號獲取的溫度值

實驗現象：1、串口打印出序列號和溫度;2、在打印的同時，D3閃爍。

4.3.3 ?D/A 溫度電壓設定

采用STM32單片機內置的12位DAC通道進行設定溫度值，

直接輸送到 LTC2053 芯片的 Pin-2 引腳。同時，可通過程序編寫，溫度值顯示在 OLED 液晶屏上。D/A 溫度設定部分主要的 C 語言程序如下：

void DAc1_Init（void）; ????//DAC 通道 1 輸出初始化

void DAc1_Set_Vol（u16 tem）//設置通道 1 輸出與溫度對應的電壓值，tem：0—4096，代表 0—3.3V

4.4 ?中斷按鍵程序

按由于需要控制三角波、正弦波頻率以及溫度的設定，所以在外部加上按鍵，通過中斷控制來控制其設定值。因為STM32F106指南者開發板上自帶電容式按鍵，無需通過矩陣鍵盤鍵入即可實現外部中斷。其中本文進行了LED燈翻轉外部中斷實驗。

外部中斷按鍵響應的主要C語言程序如下：

void LED_GPIO_Config（void）//LED 端口初始化;

void EXTI_Key_Config（void）//初始化EXTI中斷，掃描中斷和觸發中斷;

4.5 ?芯片保護程序

由于該系統涉及較多溫度傳感器件，溫度變化較大，且STM32F103芯片對較敏感。于是采用DMA方式，通過查詢手冊得到增設芯片溫度檢測程序，用來實時監測溫度保護芯片。其主要C語言程序如下：

void USART_Config（void） ????//串口GPIO配置，工作參數配置;

void Temp_ADC1_Init（void） ???//獲取芯片溫度;

5 結論

本文通過對于前人的成果以及相關文獻的學習與研究，對于基于 DFB 激光器陣列多頻調制驅動技術的研究更深入一步，實現了軟件系統的多模塊化?；诖?，列軟件部分為五個模塊：波形發生調制程序、溫度控制程序、顯示程序、中斷程序以及芯片保護程序。通過對軟件框架的編寫與相關邏輯的思考，對課題實驗有了一定的自我解讀，較好的完成了DFB激光器的驅動軟件系統的設計。

參考文獻

[1] 趙海蘭，趙祥偉. 智能溫度傳感器DS18B20的原理與應用 [J]. 現代電子技術. 2003（14）.

[2] 曾羽西. 基于 DFB 激光器陣列多頻調制驅動技術的研究 [D]. 青島：中國石油大學，2018：6-14.

[3] 張萍.基于DDS數字信號發生器的設計[J].信息化研究，2016，42（05）：66-69.