基于MSP430的SLED控制系統的設計

自1971年Kurbativ等人首次制備出半導體SLED以來，SLED得到了驚人的發展。特別是近幾年，其在光纖陀螺儀、光纖傳感、光時域發射儀等方面得到了廣泛的應用。SLED兼有LD和LED的優點，是一種自發輻射單程光放大非相干光源，具有發射譜寬、高輸出功率、體積小、質量輕的特點。另外，由于其時間相干性短和空間相干性長，能有效地將光耦合進單模光纖。

對于SLED來說，其出射光功率及中心波長會隨著驅動電流和管芯溫度的漂移而發生變化。為了獲得良好的光源性能，SLED管芯的電流和溫度控制精度必須達到一定的水平。基于實現輸出功率穩定、可靠，輸出波長準確的目的，筆者設計了基于MSP430F449單片機的智能數字化SLED控制系統。

SLED特點介紹
系統采用了美國DenseLignt公司的DL-CS5029N SLED光源組件，它采用了標準的DIL14腳帶尾纖的耦合封裝，內置了熱敏電阻和制冷器。內置的熱敏電阻具有負溫度系數，阻值隨溫度升高而減小，常溫下(25℃)阻值為10kΩ。其中，該光源組件的TEC的制冷電壓最高為1.8V，制冷電流為0.8A，在設計驅動電路時注意不要超過這個參數限制。

當光源工作時，溫度會升高，這對輸出功率影響很大。當輸入電流不變時，輸出功率隨溫度的升高而減小，而且溫度過高也會影響光源的使用壽命。因此，要想穩定功率，解決驅動電流和溫度的問題很重要。SLED的驅動控制多采用恒流控制和制冷器控制，當溫度不變時，輸出光功率就隨電流增加而增加。基于上面這幾點特性要求，穩定輸出功率的驅動光源電路要從控制驅動電流和制冷器入手，通過穩定電流和溫度，間接來穩定輸出光功率。

系統結構原理
系統主要實現了恒流驅動及恒溫控制等功能。整個系統由單片機控制。單片機采用MSP430系列的F449單片機，它是TI公司推出的超低功耗16位單片機，尤其適合于小型的嵌入式系統設計。其集成12位ADC和采樣保持電路，采樣速度快，最高可達200ks/s。系統中，電橋電路對溫敏電阻進行電壓采樣，送入ADC進行轉換，再經過內部的PID控制程序，通過DAC2輸出一個電壓來控制專用的半導體制冷器（TEC）控制芯片，以達到對SLED進行溫度控制的目的。恒流功能由DAC1結合恒流源電路來實現。系統原理如圖1所示。

圖1 控制系統原理圖

恒流源電路設計
系統對恒流源的要求是電流高度穩定，漂移和噪聲足夠小。采用高精度DAC作為恒壓源，再通過V-I轉換電路就構成了數字式恒流源，電路原理如圖2所示。本系統采用美信公司的12位串行DAC MAX5812結合兩個運放組成V-I轉換電路。其中，MAX5812與單片機的通信采用串行I2C總線，需注意的是其SDA、SCL管腳在使用時要外接上拉電阻。

圖2 恒流源電路原理圖

該恒流源克服了模擬式恒流源的缺點，可以根據系統需要靈活地改變電流的大小，且其精度與穩定度與DAC精度有關，如果采用更高位數的DAC就可以做成更高精度的恒流源。

溫控電路的設計
1 溫度采樣電路設計
該光源模塊組件采用溫敏電阻來反映管芯溫度，溫度采樣電路如圖3所示。采用電阻橋式電路，后面配合專用的橋式放大芯片和電壓調理轉換電路，將溫敏電阻變化引起的電壓變化轉化為適合于單片機ADC輸入的量程范圍內。

圖3溫度采樣電路