基于STM32的半导体激光光源驱动器的设计方案

0 引言

半导体激光器是实用中最重要的一类激光器。半导体激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高，能直接调制等优点。由于半导体激光器的这些优良特性，因而越来越广泛地被用于国防、科研、医疗、光通信等领域。由于半导体激光器的输出光强主要受电流和温度两个物理量影响，因此实现半导体激光器驱动电流和温度的精密控制十分重要。

本方案设计了一套完善的半导体激光器驱动控制系统。系统采用的微控制器是基于Cortex-M3内核的ARM微控制器STM32F103VCT6,其具有低成本、低功耗等特点，并以TEC驱动器MAX1968为执行器件，MAX1968能高效率工作以减小热量，而且体积小，系统外部元件少，因此设计的驱动器具有高性价比和高集成度等优势。

1.硬件系统设计

采用激光器为内带背光检测器，半导体热电制冷器(TEC)和热敏电阻集成的半导体激光器，而半导体激光器激励方式为电注入，半导体激光驱动器系统的原理如图1所示。STM32F103VCT6通过ADC采集热敏电阻、MAX1968和背向光二极管信号的电压信号。

为了保证所采集电压的真实性和准确性，在ADC转换前必须对所要采集的信号进行滤波和放大处理。然后STM32F103VCT6对采集到的电压信号进行处理、计算得到当前半导体激光器的实际工作温度和电流。最后根据当前半导体激光器工作的温度、电流进行PID算法的运算，产生控制信号通过DAC来控制TEC控制器MAX1968,让其去驱动半导体激光器的TEC,从而控制半导体激光器的电流和温度。同时，STM32F103VCT6和计算机之间通过串口MAX3232进行通信，这样既可以将半导体激光器的工作状态数据发给计算机进行实时显示和记录，也可以通过计算机发送控制指令，很方便的调节目标温度、目标光强等参数，满足不同的实际需要。系统框图如图1所示。

1.1 主控单元

本文使用ST(意法半导体)公司生产的STM32F103VCT6作为核心控制模块，它比单片机功能更强，它是基于Cortex-M3内核的32位高速ARM微处理器，拥有3个12位精度采样的ADC,每个ADC共用多达21个外部通道，ADC的时钟频率最高为14MHz,即它的采样时间最短为1us;2个12位的DAC;4个中断源;16内核68个外部;16级可编程中断优先级，实时响应外部中断，映射至几乎所有IO口，完全满足设计的要求。根据其典型电路设计的中控单元电路如图2所示。

图2中，STM32F103VCT6采用ADC通过PININ、RT1IN和ITECN三个接口分别采集背向光检测器、热敏电阻和MAX1968的数据信息;采用DAC通过ICONTROL和TCONTROL1口控制MAX1968来实现温度和电流的反馈控制;同时，利用RX103和TX103与上位机进行串口通信。

1.2 温控控制模块

采用MAX1968芯片来实现整个系统的温度控制。MAX1968是一款适用于Peltier TEC模块的开关型驱动芯片，工作于单电源，能够提供±3A双极性输出，激光器控制电路利用热敏电阻反馈激光器管芯温度，控制电路将其与给定电压比较，进行相应硬件或算法处理后，输出一定电压给热电制冷器(TEC)，TEC根据流过电流的方向，对激光器进行制冷或加热，使激光器温度稳定在所要求的值。激光器的温控系统必须满足控制精度高、温度稳定性好的要求，而且它必须是双向控制的，以适应外界温度变化和激光功率的变化。

MAX1968主要由两个开关型同步降压稳压器组成，在两个同步降压稳压器输出端配有高效MOSFET,由LX1、LX2引出，经过LC滤波驱动TEC.两个稳压器同时工作产生一个差动电压，直接控制TEC电流，实现TEC电流的双向控制，双极性工作避免了线性驱动所存在的“死区”问题，以及轻载电流时的非线性题目，能够实现无“死区”温度控制。

外部控制电路的输出电压加在TEC电流控制输进端CTL1,直接设置TEC电流。一般TEC+接OS2,TEC-接OS1,OS1和OS2不是功率输出，而是用来感测通过TEC的电流，流过TEC的电流由下式确定：

式中：RSENSE为TEC电流的感应电阻;VCTL1为外部控制电路的输出电压;VREF为参考电压(1.5V)。

假设正向电流为加热，则VCTL1>1.5V为加热，电流的流向从OS2到OS1,OS1、OS2、CS这3个引脚的电压关系为：VOS2>VOS1>VCS,反之则制冷。开关稳压器是按周期运作的，以把功率传输到一个输出端，这种转换方法会在基频及谐波上产生很大的噪声分量，但是在MAX1968中是相位转换并提供互补同相工作周期，所以纹波波形大大减小，抑制了纹波电流和电气噪声进进TEC模块，进而影响LD工作性能。FREQ用来设置内部振荡器的开关频率，当FREQ接地频率为500kHz时，FREQ接电源频率为1MHz.MAX1968片内带有的MOSFET驱动器，减少了外部元件，芯片工作在较高的开关频率下，可以用更小的电感和电容，从而减少PCB(印制电路板)的面积、降低本钱，对于实现激光器的小型化与智能化具有极其重要的作用。利用MAX1968设计出的温控系统如图3所示：

1.3 电流驱动保护模块

实际操作中，电流难免会出现波动，而这种波动在某种程度上会严重影响半导体激光器的性能，严重时甚至会烧坏半导体激光器。因此在该激光驱动器的电路中设计了一个电流驱动保护模块。如图4所示。这个电流驱动保护模块主要由一个稳压二极管D6,瞬变二极管D7和电阻R29构成。其中D7的主要作用是防止反向瞬变电压的冲击，即当半导体激光器的两端电压发生突变时，半导体激光器两端的电压的变化不会太大。R29的作用是防止半导体激光器的两端出现静电。

如果系统中半导体激光器的两端出现静电，那么存在的静电将会流过R29的两端，这样可以保证对于半导体激光器不会产生影响。

D6稳压二极管的作用则是稳定半导体激光器两端的电压。由图可知，当电压超出预定电压时，稳压二极管将会被击穿，电流会直接经过稳压管所在的支路直接接地，而不会经过半导体激光器所在的支路，这样可以对半导体激光器起到稳压与保护的作用。[!--empirenews.page--]

2.软件系统设计

2.1 模糊PID算法设计

一般控制过程存在不同程度地非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，因而普通的PID控制器难以获得满意的控制效果。

系统采用模糊控制与PID控制器相结合构成模糊PID控制器。模糊控制是以人的思维判断方法形成模糊控制规则，在模糊规则的基础上以模糊量作为实际控制的依据。利用模糊控制给PID控制器在线自根据PID参数自整定原则，其结构框图如图5所示。

该模糊控制器以采集到真实值out Y 与理想值in R 之间的偏差值E和偏差变化率EC为输入变量，以PID的参数P K 、I K 和D K 为输出变量。通过控制参数p K 、I K 和D K 的调节可对控制效果进行调整，最佳的p K 、I K 、D K 值需要根据实验进行选择。

2.2 系统主程序设计

系统软件程序主要包括数据采集和稳定控制。图6是主程序流程图：

系统上电后首先初始化嵌入式微处理器和外设，其次设置中断服务子程序，开中断。主控芯片STM32F103VCT6使用内部集成的ADC模块，采集半导体激光器模块当前的温度、功率的数据，并对数据进行一定的处理。首先，调节半导体激光器的温度，根据实际温度值与基准值的偏差选择相应的操作，如果温度偏差为负，则进行提高反向电流的操作;如果温度偏差为正，则进行提高正向电流的操作。其次，调节驱动电流，根据实际功率值与基准值的偏差选择相应的操作，如果功率偏差为负，则进行增大驱动电流的操作;如果功率偏差为正，则进行减小驱动电流的操作。通过温度与功率的反复循环调节，逐渐使系统输出达到平衡稳定的状态，STM32通过串口把相关的数据信息实时传输到上位机，上位机可以显示半导体激光器的工作状态，并且上位机也可以向STM32发送相应的指令，控制系统的运行状况。

3.系统测试

根据以上思路设计的光源驱动器实物如图7所示。

系统选择光强控制量为3.4mW,温度控制量为0.4℃，计算机上位机以LabVIEW为操作控制界面。图9和图10分别为从LABVIEW显示界面上显示温度和光强检测图。

对比可知，目标量初始改变幅度较大，越接近目标量时，步长越来越小，稳定性很好，系统达到稳定状态的时间也比较短。当进行大幅度调节即输入任意键值改变目标量时，系统可正常运行，达到了温度控制精度±0.03℃，激光输出功率稳定度±0.002dB,可见该驱动器设计正确，且精度高。

4.结论

本文提出了基于STM32的半导体激光光源驱动器的设计方案，该方案中所设计的驱动器系统采用低成本、低功耗的ARM微控制器STM32F103VCT6,驱动芯片MAX1968为核心器件，并以模糊PID计算控制量设计与实现了基于STM32的半导体激光光源驱动器。实验结果表明：该半导体激光光源驱动器温度控制精度高，性能稳定，具有易于开发、高性价比和高集成度等优点，满足半导体激光光源驱动器在实际工程上的应用，具有很好的实用性。