基于遺傳算法的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)*

楊芳權(quán)， 江渝川

(重慶人文科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 重慶 401524)

半導(dǎo)體激光器的工作溫度變化會(huì)影響激光器內(nèi)部材料的折射率，進(jìn)而使其輸出波長(zhǎng)隨溫度變化發(fā)生漂移[1].當(dāng)半導(dǎo)體激光器結(jié)溫度增加時(shí)，激光器的輸出波長(zhǎng)亦隨之變大，產(chǎn)生波長(zhǎng)的紅移[2]，激光器的輸出光功率隨著環(huán)境溫度的增加而降低，過高的溫度使得激光器輸出功率以指數(shù)形式下降[3-4].此外，半導(dǎo)體激光器工作溫度升高會(huì)產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力，破壞了整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，加速焊料變質(zhì)，使得器件的材料性質(zhì)發(fā)生變化，嚴(yán)重縮短其工作壽命.根據(jù)上述種種原因，在氣體檢測(cè)應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)的高精度，延長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器使用壽命，對(duì)其進(jìn)行恒定溫度控制勢(shì)在必行.

近些年，國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商均研制了用于專業(yè)用途的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，在溫度控制范圍和控制精度方面做了很多貢獻(xiàn).國(guó)外生產(chǎn)廠商，如ILX Lightwave，Thorlabs和Newport等的產(chǎn)品一般能夠在-50 ℃至+100 ℃的環(huán)境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃.國(guó)內(nèi)方面，以吉林大學(xué)、溫州上通儀表公司為代表研制的產(chǎn)品一般只能在常溫下工作，控制精度僅為±0.1 ℃[5-6].雖然國(guó)外半導(dǎo)體激光器溫度控制器具有優(yōu)越的參數(shù)性能[7-8]，但是其體積龐大，價(jià)格昂貴，不適合便攜式紅外氣體檢測(cè)儀器的需求.國(guó)外產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定度最優(yōu)性能僅為±0.1 ℃，不能滿足氣體濃度高檢測(cè)精度的要求.

為了研制出成本低、性能優(yōu)越、體積小的激光器恒溫控制系統(tǒng)，本文研制并設(shè)計(jì)了一款基于遺傳算法學(xué)習(xí)的自適應(yīng)半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將處理器從復(fù)雜的溫度控制算法中釋放出來，適用于各種實(shí)現(xiàn)性要求高的場(chǎng)合.

1 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of temperature control system for semi-conductor laser

1.1 溫度控制單元設(shè)計(jì)

為了對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度進(jìn)行精確地控制，需要對(duì)流過半導(dǎo)體制冷器(TEC)的電流大小和方向進(jìn)行精確控制.當(dāng)半導(dǎo)體激光器溫度低于工作溫度時(shí)，通過TEC對(duì)激光器進(jìn)行加熱處理.當(dāng)激光器溫度高于工作溫度時(shí)，通過TEC對(duì)激光器進(jìn)行制冷處理.TEC稱為半導(dǎo)體制冷器，是半導(dǎo)體激光器封裝在一起的溫控器件.市面上流通的TEC均是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)原理生產(chǎn)的，當(dāng)電流正向流過熱電制冷器時(shí)，其一端會(huì)吸收熱量，另一端會(huì)散發(fā)熱量，反之亦然.利用TEC對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器進(jìn)行恒溫處理，制冷或加熱的方向由流過TEC的電流方向決定，制冷或加熱的速度由流過TEC的電流大小決定.

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)多種專用的TEC控制芯片，它們都具有精度高、使用方便、功率大等優(yōu)點(diǎn).本系統(tǒng)采用美信公司生產(chǎn)的TEC控制芯片，型號(hào)為MAX1968，其內(nèi)部集成1.5 V的穩(wěn)壓源，流過TEC的電流大小和方向與輸入控制端口電壓值一一對(duì)應(yīng).DAC模塊是連接TEC控制芯片與微處理器的橋梁.微控制器計(jì)算出的數(shù)字量經(jīng)過D/A變換成模擬量，該模擬量作用于TEC芯片控制端口，與MAX1968內(nèi)部電路一起構(gòu)成電流控制電路，實(shí)現(xiàn)激光器溫度的恒定控制.溫度控制單元組成框圖如圖2所示.

圖2 溫度控制單元組成框圖Fig.2 Composition block diagram of temperature control unit

圖2中，DAC模塊的功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，其是銜接TEC控制芯片與微處理器之間的橋梁.本系統(tǒng)選用凌力特公司生產(chǎn)的16位低功耗D/A轉(zhuǎn)換芯片LTC1655，它采用三線串行控制方式.TEC控制模塊采用MAXIM公司生產(chǎn)的用于TEC電流控制的專用芯片MAX1968，它對(duì)輸出電流具有較高的控制精度，較大的系統(tǒng)功耗，使用方便，僅需少量分立元件就能完成對(duì)TEC電流方向和大小的控制.MAX1968芯片采用先進(jìn)的TSSOP封裝技術(shù)不僅有利于芯片的散熱，具有較小的體積同時(shí)極大方便系統(tǒng)的微型化集成.MAX1968的輸出控制電流在-3～+3 A范圍內(nèi)，能夠滿足不同要求的TEC電流需求.

MAX1968芯片內(nèi)置TEC電流限制電路，通過外加分立元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC兩端電壓以及TEC正向電流和反向電流的限制.TEC兩端最大承載電壓四倍于MAXV引腳上的輸入電壓.最大正向電流和反向電流分別由MAXIN和MAXIP引腳上的輸入電壓決定.MAX1968采用增強(qiáng)型散熱結(jié)構(gòu)的TSSOP-EP封裝技術(shù)，芯片封裝底部?jī)?nèi)置長(zhǎng)方形金屬熱沉.當(dāng)芯片的輸出電流較大時(shí)，應(yīng)采用外置散熱片來增強(qiáng)芯片的散熱處理，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致芯片功能異常，本文采用RHS-03型散熱器對(duì)芯片進(jìn)行散熱處理.

1.2 溫度采集單元設(shè)計(jì)

核心控制器TMS320LF2812通過溫度信息采集后向通路來讀取TEC控制電流的大小.判斷TEC是否工作在正常狀態(tài)，如果發(fā)生異常，通過對(duì)MAX1968使能引腳的拉低，切斷TEC工作電流，以保護(hù)半導(dǎo)體激光器的正常運(yùn)行.圖3為溫度采集單元組成框圖.

圖3 溫度采集單元組成框圖Fig.3 Composition block diagram of temperature acquisition unit

圖3中，溫度信號(hào)采集電路由橋式電阻網(wǎng)絡(luò)和儀表放大器(AD620)構(gòu)成，通過微處理器讀取輸入電壓值，計(jì)算得到半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的熱敏電阻值，根據(jù)熱敏電阻值與溫度的關(guān)系式，計(jì)算出結(jié)溫度.通過比較采樣溫度值和實(shí)際溫度值的差值大小，來設(shè)置調(diào)節(jié)電流的大小及方向，使得半導(dǎo)體激光器的工作溫度始終處在設(shè)定范圍內(nèi).橋式電阻網(wǎng)絡(luò)采用具有相近溫漂性質(zhì)的精密電阻來降低環(huán)境溫度變化對(duì)電路精度的影響.AD620具有較低的噪聲密度，較小的溫度漂移系數(shù)，是常用的主用差分儀表放大器，僅需要外接單個(gè)阻值電阻即可調(diào)節(jié)電路的放大倍數(shù).本電路中AD620的放大倍數(shù)設(shè)定為1倍，原因在于后端AD處理電路帶有數(shù)字濾波和程控放大功能.電流信號(hào)采集電路如圖4所示.

采樣電阻Rs與AD620共同構(gòu)成了電流取樣放大電路，輸出信號(hào)和背景信號(hào)一同送入比例加法電路.當(dāng)無(wú)電流流經(jīng)取樣電阻時(shí)，AD620輸出0 V電壓，輸出電壓VCH2為背景信號(hào).當(dāng)有電流經(jīng)過取樣電阻時(shí)，AD620輸出電壓經(jīng)過信號(hào)電平的平移，信號(hào)平移的幅度為背景電壓大小.經(jīng)過加法電路處理，輸出信號(hào)均為正電壓，經(jīng)過ADC模塊采集，送入微處理器進(jìn)行處理.

圖4 電流信號(hào)采集電路Fig.4 Current signal acquisition circuit

2 遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

用非線性模型來描述被控對(duì)象[9]，其表達(dá)式為

y(k)=f[y(k-1)，…，y(k-ny)，

u(k-1)，…，u(k-nu)]

(1)

式中：f(·)為非線性的函數(shù)；u(·)和y(·)分別為被控對(duì)象的輸入和輸出；nu和ny分別為輸入和輸出的階次.

樣本集的構(gòu)造為采集的100組{u(k)，y(k)}歷史數(shù)據(jù)，利用歸一化處理使得u(k)∈[0，1]且y(k)∈[0，1].對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練時(shí)采用BP算法，隱含層和輸出層的激勵(lì)函數(shù)分別為Tansig函數(shù)和Purelin函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)為

(2)

式中：n為樣本數(shù)；ym(k)為模型輸出.學(xué)習(xí)目標(biāo)為Je1≤0.002 5.中間層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為6，此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為2-6-1.

遺傳算法能夠快速尋優(yōu)，它在高維空間中的搜索是從隨機(jī)產(chǎn)生的起始點(diǎn)開始的，根據(jù)設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù)指定搜索方向.利用遺傳算法來優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)的步驟如下：

1) 選取NN的輸入和輸出的樣本集，確定網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)的編碼方式，隨機(jī)得到初始種群，對(duì)個(gè)體位串譯碼，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)系數(shù)，再求得對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)輸出.

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正模型有25個(gè)權(quán)值和閾值變量，取個(gè)體為W=(w1，w2，…，wi，…，w25)，分布如圖5所示.

給定變量的門限值，則個(gè)體的表現(xiàn)為

W=(0.095，0.788，0.817，1.919，

-1.925，-1.567，…)

(3)

遺傳算法使用的交叉和變異算子需要確保運(yùn)算結(jié)果位于給定的范圍內(nèi).因此，交叉運(yùn)算在兩個(gè)基因的分界處進(jìn)行.

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正模型的權(quán)值分布Fig.5 Weight distribution of positive model of neural network

2) 選定目標(biāo)函數(shù)，得到網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)度，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià).將染色體上的權(quán)值和閾值分配到前述2-6-1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，由訓(xùn)練集樣本{u(k)，y(k)}和{y(k+1)}分別作為輸入和期望輸出，取評(píng)價(jià)函數(shù)為誤差平方和的倒數(shù)，即f1=1/Je1.

3) 根據(jù)適應(yīng)度和交叉變異算法來進(jìn)行選擇操作，得到新種群，再返回步驟1)，直到性能滿足要求，得到優(yōu)化的系數(shù).

使用標(biāo)準(zhǔn)化的幾何排序方法來進(jìn)行選擇，其表達(dá)式為

(4)

式中，q、r和z分別為選擇概率、個(gè)體序列號(hào)和種群大小.

交叉算法使用數(shù)學(xué)交叉和啟發(fā)式交叉兩種方式，這種組合方式可以提高算法的探測(cè)能力.首先，由數(shù)學(xué)交叉得到的兩個(gè)新個(gè)體分別為

X′1=aX1+(1-a)X2

(5)

X′2=(1-a)X1+aX2

(6)

式中，a∈(0，1)為隨機(jī)數(shù).啟發(fā)式交叉的表達(dá)式為

(7)

式中，c∈(0，1)為隨機(jī)數(shù).如果得到的和均不在解空間，那么由新產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)來重新進(jìn)行交叉運(yùn)算.

變異算法由多元非均勻變異方法得到新種群，其原理為

(8)

式中：r1，r2∈[0，1]；ai和bi為上下限；g為進(jìn)化代數(shù)；gmax為進(jìn)化代數(shù)的最大值；b為擾動(dòng)參數(shù).

3 半導(dǎo)體激光器溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了降低控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高半導(dǎo)體激光器輸出波長(zhǎng)的穩(wěn)定性以及溫度控制的精確性，本文對(duì)自主設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試.采用該套溫度控制系統(tǒng)對(duì)中心波長(zhǎng)在1 563.09 nm附近的DFB激光器做如下系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn).

測(cè)試由四部分組成：首先，從電路角度出發(fā)，測(cè)試半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精度；其次，對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試；然后對(duì)所研制的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的溫度控制范圍進(jìn)行了檢驗(yàn)；最后對(duì)所被控對(duì)象半導(dǎo)體激光器發(fā)光光譜進(jìn)行了測(cè)試.

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程如下：通過主控制器TMS320LF2812將激光器的工作溫度設(shè)定為20 ℃(實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度約為25 ℃).在零時(shí)刻，溫度控制系統(tǒng)開始工作，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的半導(dǎo)體激光器的環(huán)境溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示.

圖6 穩(wěn)定性性能測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of stability performance

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，DFB激光器的最終工作溫度達(dá)到了系統(tǒng)所設(shè)定的溫度值.經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，DFB激光器的溫度變化范圍在-0.05～+0.05 ℃之間.

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間性能測(cè)試

半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖7所示.通過對(duì)圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，激光器溫度控制器開始工作到激光器的實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間大約為1 min.激光器的溫度進(jìn)入設(shè)定值后，溫度在該值的-0.05～+0.05 ℃范圍內(nèi)變換，沒有出現(xiàn)較大的跳變點(diǎn).

3.3 系統(tǒng)溫度控制范圍性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室溫度的初始值為20 ℃，設(shè)定期望半導(dǎo)體激光器溫度值分別為5和70 ℃，從零時(shí)刻啟動(dòng)溫度控制過程，得到不同目標(biāo)溫度控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖8、9所示.

圖7 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of response time

圖8 溫度控制曲線(目標(biāo)溫度5 ℃)Fig.8 Temperature control curve (target temperature of 5 ℃)

圖9 溫度控制曲線(目標(biāo)溫度70 ℃)Fig.9 Temperature control curve (target temperature of 70 ℃)

從圖8、9中可以看出，基于遺傳算法的控制算法可以使半導(dǎo)體激光器的實(shí)際溫度達(dá)到預(yù)期設(shè)定的溫度值.對(duì)于低于室溫的溫度控制，超調(diào)量為8%，控制精度為±0.002 ℃；對(duì)于高于室溫的溫度控制，沒有超調(diào)量，控制精度為±0.001 7 ℃.因此，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光器工作溫度的精確控制，穩(wěn)定度較高.

3.4 激光器發(fā)光光譜測(cè)試

在氣體濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，為了保證系統(tǒng)的檢測(cè)精度并提高系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出穩(wěn)定的發(fā)光光譜，這完全由激光器的溫控系統(tǒng)決定.利用本文自主研發(fā)的溫度控制系統(tǒng)，對(duì)同一個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出光譜連續(xù)三次進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的時(shí)間間隔為1 h.測(cè)量結(jié)果如圖10所示，其中，設(shè)定激光器的工作溫度為39 ℃，工作電流為60 mA.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，測(cè)得的三條激光器輸出譜線幾乎完全重合，說明該激光器溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好.

圖10 半導(dǎo)體激光器發(fā)光光譜Fig.10 Emitting spectra of semi-conductor laser

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于遺傳算法學(xué)習(xí)的自適應(yīng)半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)，溫度控制范圍在5～70 ℃之間，控制精度為±0.002 ℃，超調(diào)量低于8%，響應(yīng)時(shí)間低于60 s.與造價(jià)昂貴的商用集成溫度控制器相比較，自主設(shè)計(jì)的溫度控制器不僅具有較小的體積，同時(shí)也具有較低的成本，能夠非常方便地集成到各種半導(dǎo)體激光器的控制系統(tǒng)中，在實(shí)際中具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值.

為了進(jìn)一步提升該半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)性能指標(biāo).在硬件設(shè)計(jì)方面，下一步工作可采用24位ADC和DAC轉(zhuǎn)換器，提升半導(dǎo)體激光器溫度控制精度.在軟件設(shè)計(jì)方面，可采用遺傳算法和模糊PID相結(jié)合的方式，進(jìn)一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定度和響應(yīng)時(shí)間的性能指標(biāo).