基于STM32的半导体激光光源驱动器的设计方案论述.docx

基于STM32的半导体激光光源驱动器的设计方案 　摘要：为实现半导体激光 HYPERLINK /product/searchfile/433.html \t _blank 光源驱动器的工程化，本文提出了一套低功耗、低成本的实用型光源驱动器的设计方案。该设计方案中的驱动器以ARM微控制器 HYPERLINK /stock_stm32f103vct6.html \t _blank STM32F103VCT6为核心，以TEC控制器 HYPERLINK /stock_max1968.html \t _blank MAX1968为执行器件，配以相应的软件，以模糊PID计算控制量。实验证明，方案中所设计的控制器实现了 HYPERLINK /product/searchfile/174.html \t _blank 半导体激光器驱动电流和温度的精密控制，温度控制精度可达到±0.03℃，激光输出功率稳定度可达到0.002dB,具有高性价比和高集成度。 　　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 HYPERLINK /product/file560.html \t _blank 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 HYPERLINK /info/17.html \t _blank 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 HYPERLINK /stock_max3232.html \t _blank 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 HYPERLINK /product/file1155.html \t _blank 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 HYPERLINK /14MHZ.html \t _blank 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），T