基于MSP430的SLED控制系统的设计

MSP430的ADC基准有片内和片外两种。虽然选用片内基准就可以不外接，减小电路的复杂程度，但因为所需的转换精度较高，且片内基准的温度系数较大（100×10-6/℃），这里选用了精度比较高的片外基准电压源MAX6173。它的输入电压为4.5～40V，输出电压为2.5V，最大温度系数为3×10-6/℃，可以达到设计要求。

2 TEC控制电路设计
TEC控制器按输出的工作模式可分成线性和开关两种。传统SLED的温度控制大多采用线性模式的TEC控制器，一个简单的线性驱动 TEC电路由两个推挽功率三极管构成，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低，控制精度不高，电路集成度较低，而且存在温度控制“死区”问题。

本系统采用美信公司的MAX1968，它是一款适用于 Pehier TEC模块的开关型驱动芯片，工作于单电源，能够提供±3 A双极性输出，采用直接的电流控制。MAX1968用于设定和稳定TEC的温度，每个加载在 MAX1968电流控制输入端的电压对应一个目标温度设定点。适当的电流通过TEC将驱动TEC对SLED供热或制冷。SLED的温度由温度采集电路采集后，再经内部单片机运算后反馈给MAX1968，用于调整系统回路和驱动TEC工作。

图4 温度控制原理图

图4为SLED温度控制电路原理图。在电路中，MAXIP和MAXIN引脚的电压用来控制流过TEC的最大正向和反向驱动电流，MAXIV引脚的电压用来设置TEC的最大驱动电压。通过一个分压电路来实现各个引脚电压的设定，如图4所示。CS和OS1引脚之间的电阻RSENSE用来设置流过TEC的最大工作电流，这里选用了200mΩ的电阻。当VCTLI>1.5V时，MAX1968制冷，反之制热。在实际应用中，根据驱动不同的SLED光源组件，合理设置参数即可。

系统中主控回路采用负反馈，将温度传感器输出的电压与给定电压比较，所得误差值经PID控制算法处理后，经过DAC，送入MAX1968，以控制 TEC上的电压、电流的大小和方向，进而实现制冷或制热。

3 控制方法
在系统中利用单片机作为微控制器，通过ADC、DAC转换和PID算法，输出模拟量给MAX1968的CTLI，以驱动TEC实现对SLED的加热或制冷。这种软硬件结合的方法，大大提高了整个系统的稳定性和精度。
由于PID控制器具有稳态误差小、动态性能好、控制精度高等特点，所以在温度控制系统中引入数字PID算法，其离散化的表达式为
Ui=ui-1+Δui+P[Δei+Iei+DΔ2ei]
式中，ui是第i次PID运算输出量，经DAC转换后送给温度控制电路；ei=w－yi，yi是第次温度采样值，w是设定温度下温度采样的理论值；Δei=ei－ei-1，Δ2ei=Δe－Δei-1.

P、I、D分别是PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数。通过调节这三个参数，可以使得温控系统处于一个控制快速，准确的工作状态。

键盘和显示电路的设计
键盘采用3键式独立按键，可以实现对PID控制算法三个参数的设置以及报警等功能的设计。由于MSP430的P1口具有中断功能，因此键盘软件的编写采用中断的方式来实现。显示电路采用RT1602C，这是一种能同时显示16×2个字符的液晶，内部存贮有常用的点阵字符图形，方便易用。由于是5V电压操作，而MSP430单片机在3.3V工作，因此采用了一个电平转换芯片SN74LVC4245DB来完成转换。

实验结果
该系统在室温下对功率为0.2mW左右的SLED光源组件DL-CS5029N进行试验，实验结果表明：其稳定度优于0.1%。

结语
采用“数控恒流源+高精度温控”的方案，设计了SLED控制系统，并且在系统内引入了PID 控制算法。通过多次试验表明，SLED光源可以显著提高光源出纤光功率的稳定性。数字控制方法是目前比较理想的驱动方案，具有较好的发展前途。