1引 言
由於體積小、功耗低、壽命長和易於調製，半導體雷射器( Laser Diode)作為一種新型雷射光源已廣泛應用於通訊、醫療和測量等各個領域 [1]。LD易於調製的特點在於LD的輸出波長易受溫度和注入電流的影響。普通LD的電流調製係數約為0.025nm/mA,；溫度調製係數約為0.3～0.4nm/℃[2]。在對波長穩定性要求較高的場合，諸如幹涉測量和光譜吸收氣體檢測待高精度測量應用中，必須對LD溫度進行精確控制。本文提供的設計方案能為半導體雷射器的溫度控制提供有效支持。
2硬體電路設計
半導體雷射溫度控制器由MICROCHIP公司生產的PIC16C73單片機和MAXIM公司生產的TEC驅動晶片MAX1968組成，主要包括溫度反饋電路、TEC驅動電路、EEPROM存儲電路和鍵盤數碼管顯示控制電路。溫度控制電路利用熱敏電阻反饋LD管芯溫度，AD轉換器對該反饋信號進行AD轉換並輸入單片機，單片機將其與給定電壓比較，在進行數字PID算法[3]處理後，單片機控制DA轉換器輸出模擬控制電壓給MAX1968，從而調整MAX1968輸出到TEC的電流方向及大小。TEC 根據流過電流信號對雷射器進行製冷或加熱，使雷射器溫度穩定在所要求的值。雷射器溫控系統須滿足控制精度高、溫度穩定性好的要求，另外必須進行雙向控制， 以適應環境溫度變化和雷射器工作條件變化。整個系統結構如圖1所示。
圖1 半導體雷射溫度控制器系統結構示意圖
LD：雷射發射管，PD：功率監視器，TEC：熱電致冷器
2.1 MAX1968 TEC驅動電路
熱電致冷器(TEC)是利用帕耳貼(Peltier)效應進行製冷或加熱的半導體器件。在TEC兩端加上直流工作電壓會使TEC的一端發熱，另一端致冷；把TEC兩端的電壓反向則會導致相反的熱流向。
常用的TEC溫度控制電路大多採用分立元件搭建的PID 電路，但分立電路需要進行參數整定, 一般都是靠調試人員根據其經驗確定參數值, 也並不總是能達到控制要求, 而且分立電路容易引入噪聲, 影響控制精度。另外, 由於目前半導體雷射器內部通常集成了熱敏電阻和TEC, 價格比較昂貴, 若發生TEC過壓、過流情況, 容易把雷射器燒壞, 搭建溫控系統時還須考慮到雷射器的保護問題。因此, 傳統的溫控系統很難完成半導體雷射器的溫度控制要求, 而集成了控制電路與各種保護功能的專用晶片能夠較好地完成精確溫度控制的任務。
MAX1968是MAXIM公司推出的高度集成、高性價比和高效率開關型驅動器，適用於Peltier熱電製冷器模塊。它採用直接電流控制，消除了TEC中的浪湧電流。片內FET在提供高效率的同時，儘可能地減少了外部元件。500kHz/1MHz開關頻率和獨特的紋波消除電路減小了元件的尺寸和電源噪聲。MAX1968單電源工作，在晶片內部的兩個同步降壓穩壓器輸出引腳之間連接TEC，能夠提供3A雙極性輸出。雙極性工作能夠實現無「死區」溫度控制，以及避免了輕載電流時的非線性問題。該方案通過少許加熱或製冷可避免控制系統在調整點非常接近環境工作點時的振蕩。MAX1968採用薄型28引腳TSSOP-EP封裝，工作於-40℃到+85℃的溫度範圍。
圖2所示為雷射溫度控制器的TEC驅動電路原理圖。熱敏電阻Rt上的電壓信號代表溫度的變化，該信號經過運放U5 OP07隔離後送至U6進行AD轉換，AD轉換器採用MICROCHIP公司生產的單通道12位AD轉換晶片MCP3201，接口方式為SPI串行協議。MCP3201將轉換後的數位訊號送入PIC16C73單片機。單片機先將採集到的溫度信號進行數字濾波，再與設定的溫度值比較並進行數字PID處理。之後單片機輸出控制信號至DA轉換器U5，DA轉換器根據單片機送來的控制信號輸出一個模擬控制電壓至MAX1968的CTLI引腳上，從而精確地設置連接在MAX1968 OS1與OS2引腳之間的TEC U4上所通過的電流方向與大小。DA轉換器選用MICROCHIP公司生產的單通道12位引腳DA晶片MCP4921，接口方式為SPI串行協議。MAXIP和MAXIN引腳分別用來設置允許通過TEC的加熱和製冷電流的最大值，而MAXV引腳用來設置允許加在TEC兩端的最大電壓。ITEC引腳的輸出電流與TEC中通過的電流具有線性關係，可以利用它實時監測TEC中通過的電流大小。此外MAX1968還提供了一個引腳 ，在器件不工作的時候將其電平拉低可以設置器件為關斷模式，從而減小器件功耗。
圖2 TEC驅動電路原理圖
2.2 HD7279A鍵盤和數碼管顯示控制電路
HD7279A是北京比高科技公司推出的串行接口8位LED數碼管及64鍵鍵盤智能控制晶片，單晶片即可完成數碼管顯示和鍵盤接口的全部功能。HD7279A內部含有解碼器，可直接接受BCD碼或16進位碼，並提供2種解碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移和段尋址等。
在HD7279A檢測到有效按鍵時，其 引腳由高電平變為低電平，同時在單片機RB0引腳上觸發中斷。中斷發生後，單片機在RC0引腳輸出低電平（即HD7279A片選信號 變為低電平）選擇HD7279A器件，並通過串口協議發出「讀鍵盤數據命令」，HD7279A接收到該命令後，在CLK引腳的上升沿將檢測到的按鍵代碼從DATA引腳輸出至單片機。單片機根據按鍵代碼進行相應的處理。
在顯示數據時，單片機RC4引腳輸出的串行數據從HD7279A DATA引腳送入晶片，並由CLK端同步。當片選信號 變為低電平後，DATA引腳上的數據在CLK引腳的上升沿被寫入器件內部的緩衝寄存器並顯示。
2.3 EEPROM存儲電路
為使掉電後上次設定的參數不至於丟掉，系統還採用了MICROCHIP公司生產的串行EEPROM-24LC02進行掉電前的參數存儲，接口方式為I2C串口協議。另外，由於熱敏電阻Rt的阻值會隨溫度的增加呈指數規律遞減，故代表溫度變化信號Rt上的電壓也呈現出非線性變化。因此在軟體處理中採用查表的方式來確定實測的溫度值。在24LC02中預先存儲有10~55℃範圍內的溫度-電壓對應值以備查詢。
3 軟體設計
系統軟體採用彙編語言進行模塊化結構設計，主要由鍵盤、顯示、溫度採集AD轉換、溫度控制DA輸出、存儲器讀寫和PID數據處理等子程序構成。圖3為主程序、中斷服務程序和中斷服務子程序流程圖。
圖3 系統程序流程圖
4 實驗結果
圖4為90分鐘內每隔5分鐘測量一次所獲得的半導體雷射器溫度控制的實驗數據。雷射器購自北京海特光電公司，型號FLMS-1310-112。器件封裝內集成熱敏電阻和TEC，額定工作電流28.5mA。實驗時環境溫度為23℃，雷射二極體的工作溫度設置為25℃。從圖中曲線可以看出，系統穩定後，雷射二極體的溫度基本穩定在25℃左右，偏差在0.1℃內。
圖4 半導體雷射器溫度穩定曲線
5 結 論
本文設計的半導體雷射溫度控制器經過實踐表明：該控制器可以有效地對雷射二極體的工作溫度進行控制，電路的控制性能令人滿意。相比傳統的雷射溫度控制方案，本文提出的設計方案創新之處在於：採用了MAX1968 TEC驅動晶片和HD7279A鍵盤和數碼管顯示控制晶片，大大減少了電路分立元件的數量，改進了系統噪聲性能，增加了系統的可靠性；採用PIC16C73單片機進行實時控制，並對信號進行數字濾波、數字PID處理等措施，減少了設計成本，增加了設計的靈活性。
6 致 謝
本課題由國家自然科學基金項目10574081資助，並感謝姚敏言老師和薛理立的辛勤工作。
參考文獻:
[1] 孫曉明. 半導體雷射幹涉理論及應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 1998, 5-8.
[2] 唐文彥,周延周,朱茂華等. 半導體雷射器高精度溫度控制系統的設計[J]. 哈爾濱工業大學學報, 1994 26(4) : 29-30.
[3] 張利娟,趙轉萍,楊明. 高精度溫度控制的實現[J]. 微計算機信息, 2003 19(11) : 23-24.