高精度激光器温度检测系统的设计

刘松斌 王梦谦 周长青

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆市第一采油厂电力维修大队，黑龙江 大庆 163318)

高精度激光器温度检测系统的设计

刘松斌1王梦谦1周长青2

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.大庆市第一采油厂电力维修大队，黑龙江 大庆 163318)

设计了一个以AD7793芯片和热敏电阻为核心的高精度温度采集电路，检测结果通过SPI接口实现数据串行同步通信。以TMS320F2812为核心处理器，对采集数据进行快速数字滤波处理并将数据转换为温度值进行液晶显示。实验结果表明：高精度激光器温度检测系统能够实现对环境温度的实时检测，温度检测精度在0.2%以内。

高精度激光器温度检测系统 AD7793 热敏电阻 TMS320F2812 SPI通信 有害气体检测

近年来，高精度温度测控技术在工业、科学研究及农业等领域得到了广泛应用。然而以激光器为主要组成的有害气体检测系统，对温度检测精度提出了更高要求。根据朗伯-比尔定律，在有害气体检测过程中，需通过调节激光器的中心波长，使之与待测气体的吸收峰相匹配，再根据对光的吸收程度计算有害气体浓度。半导体激光器的中心波长与工作电流和环境温度有关，保持工作电流不变，其输出波长随温度变化的范围为0.3～0.4nm/℃[1]。因此，为了确保激光器正常工作，输出稳定的中心波长，环境温度波动范围需控制在±0.05℃以内，以实现精确的气体浓度检测[2]。高精度温度检测是实现激光器环境温度控制的前提，为此，笔者设计了一个高精度激光器温度检测系统，通过AD7793温度采集电路提高环境温度检测精确度，使RTD压降与AD参考电压同步变化，避免因激励恒流源波动造成的测量误差[3]。

1 系统硬件部分

高精度激光器温度检测系统(图1)是一个闭环反馈系统，主要包括数据采样模块、以DSP为核心的控制模块、执行模块及被控对象等机构[4]。

图1 高精度激光器温度检测系统框图

1.1温度采集电路

温度采集电路负责对激光器环境温度进行高精度数据采集，然后将采集的数据输入到DSP，经PID算法处理后输出给TEC驱动电路，完成加热或制冷操作，实现对激光器的温度控制。

AD7793温度采集电路如图2所示。AD7793芯片采用Σ-Δ型数据采集调制技术，具有分辨率高、功耗低和噪声低的特点，广泛应用于具有高精度检测要求的系统中。该芯片集成了24位数据调制器、缓冲器、恒流源及片内数字滤波器等，具有较高的集成度[5]；外设3个差分模拟输入通道，可避免因温度漂移对AD转换结果造成的影响；具有自校准、系统校准功能，可消除零点误差和满量程误差；SPI串行通信接口可实现与控制器的灵活数据通信。

1.2激励恒流源

系统采用10kΩ负温度系数热敏电阻(NTC)进行温度检测，其典型工作温度范围是15～40℃，阻值R随着温度的增加迅速降低，具有较高的温度灵敏度[6]。在实际应用中，NTC会由于电流值的大小产生不同程度的自发热现象，从而导致环境温度的检测误差。因此，选择适当的激励恒流源，确保自发热误差小于电路测量和系统要求精度是很必要的。NTC耗散系数δ的计算式为：

图2 AD7793温度采集电路

式中ITH——流经NTC的电流；

Ta——环境温度；

Tb——实际稳定温度；

UTH——端电压。

本系统选用的NTC耗散系数为2mW/℃，如果采用210μA激励恒流源，由NTC温度阻抗特性可知，其最大阻值为20kΩ，则最高自加热温升为：

=0.441℃

因此，若采用210μA激励恒流源，将严重影响系统的测量精度。当采用10μA激励恒流源时，其最高自加热温升为：

=0.001℃

该温升远小于激光器允许的温度波动范围和检测系统的测量精度，满足设计要求。NTC阻值与温度呈非线性反比例关系，且满足Steinhart-Hart方程[7]：

1/T=C1+C2×lgR+C3×lg(R)3

其中，温度阻抗系数C1、C2、C3的计算式分别为：

C1=1.129×10-3

C2=2.341×10-4

C3=0.878×10-7

2 系统软件部分

DSP处理器在CCS软件环境中进行基本配置和编程[8]，可完成环境配置、源程序编辑、链接、调试及运行结果分析等操作。

2.1SPI数据通信

四线制SPI接口通过DSP灵活控制和配置AD7793片内寄存器，实现采集数据的快速同步串行通信[9]，流程如图3所示。DSP需进行基本的SPI初始化配置，设置合适的波特率、时钟模式等，使之与AD7793的时序相匹配[10]。

图3 通信流程

考虑到DSP的移位寄存器只有16位储存空间，无法满足对24位AD转换数据的一次性存储，因此将存储模式设置为8位SPI通信字长，分3次完成对一个AD转换数据的储存。如图4所示，经过配置后的DSP处理器可实现与AD7793的正常SPI通信。

2.2液晶驱动

液晶显示作为系统的输出模块，要求系统具有较高的同步性和实时性，实现对检测数据的直观展示。选用OCMJ8X15D字符型液晶显示屏，通过DSP的GPIO引脚完成驱动显示，数据通信通过8位I/O口并行传输。根据液晶显示器的时序要求设计了定时器周期中断时间，传输到DSP中的数据经过滤波、换算等数字处理后转化为所需的温度数值，等待定时器周期中断到来后进入中断函数最终完成温度数值的输出显示。

图4 SPI通信效果

3 实验验证

利用高精度温度箱对高精度激光器温度检测系统的性能进行实验验证。在NTC典型工作温度范围(15～40℃)内，以温度梯度5℃进行实验验证，结果见表1。可以看出，系统测量误差小于±0.05℃，完全满足激光器对环境温度的要求。

表1 温度检测实验数据

4 结束语

笔者以AD7793芯片为核心设计了恒流源激励三线制RTD电阻温度采集电路，保证了热敏电阻值的精确测量，提高了数据采集精度。RTD压降与AD参考电压同步变化，避免了因恒流源波动造成的测量误差。采用DSP作为系统的核心处理器，凭借其高速数据处理能力，实现了数据的同步通信、数据的快速精确处理，并驱动液晶显示屏完成了环境温度的动态显示。整个系统设计结构简单，SPI四线制串行通信方式最大程度地简化了数据通信线路，保证了采集数据的准确传输，实现了系统的高精度温度检测。

[1] 闫胜利.基于DSP的DFB激光器温度控制系统设计[J].激光杂志,2014,35(12):93～95.

[2] 肖珊,鲁五一.基于PID控制的半导体激光器温度控制系统的设计[J].激光杂志,2015,36(6):39～42.

[3] 董鸣.AD7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术,2012,(8):31～32.

[4] 李健,陈晨,薛顶柱,等.基于PID算法的激光器恒温控制系统的设计[J].激光杂志,2015,36(4):38～41.

[5] 刘孟德,贺海靖,杜立彬.高精度温度测量电路设计[J].山东科学,2012,25(2):72～75.

[6] 傅泽宏.激光气体分析仪在RFCC再生烟气测量中的应用[J].化工自动化及仪表,2012,39(11):1418～1423.

[7] 叶军,于霞.基于DSP的液晶显示时钟的设计与实现[J].液晶与显示,2009,24(5):713～717.

[8] 顾卫钢.手把手教你学DSP:基于TMS320X281x[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.

[9] 贾伟,邵左文,张玉猛.基于SPI总线的高速串行数据采集系统设计[J].国外电子测量技术,2007,26(4):37～40.

[10] 邹文栋,叶钦,谢海鹤,等.基于TMS320F2812的半导体激光器温度控制[J].红外与激光工程,2008,37(4):642～646.

High-precisionTemperatureMonitoringSystemforLaser

LIU Song-bin1, WANG Meng-qian1, ZHOU Chang-qing2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318China;2.PowerMaintenanceTeam,DaqingOilProductionPlant,Daqing163318China)

Both AD7793 chip and thermistor-cored high-precision temperature acquisition circuit was designed. Through SPI interface, the synchronous transmission of the data measured can be realized. Taking TMS320F2812 chip as the core processor, the collected data

filtering processing and then were transformed into the temperature value for LCD display. Experimental results show that, this system designed can real-time monitor and display ambient temperatures and the detection accuracy stays within 0.2%.

high-precision temperature monitoring system, AD7793, thermistor, TMS320F2812, SPI communication, poisonous gas detection

TH862

A

1000-3932(2016)11-1169-04

2016-04-05(修改稿)