半导体激光温度控制系统、设备及方法

技术领域

本发明涉及激光控制技术领域，尤其是一种半导体激光温度控制系统、设备及方法。

背景技术

半导体激光器是一种使用半导体材料产生受激发射作用的器件，也称为激光二极管(Laser Diode，LD)，通过一定的激励方式，使得载流子处于不平衡状态，在半导体物质及能带间产生粒子反转，当反转的电子超过一定数量同时与空穴重合时，会产生受激发射作用，通过光学谐振腔辐射放大后输出激光，具有尺寸小、效率高、功耗低、可靠性好以及使用寿命长等优点，广泛用于国防军事及工业测试等各个领域，具有很好的应用前景。但是半导体激光器对外界温度的变化敏感，温度变化会影响激光器的阈值电流密度，其中，半导体激光器工作温度和注入的驱动电流会会对激光器的输出功率和波长等造成影响，从而影响器件的性能稳定。因此保证激光器处于稳定的工作状态需要对其温度进行精确稳定的控制。

现有技术针对二极管激光器温度控制的方案，均无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统有较大的波动温度，对系统的稳定工作造成了影响；还存在着使用成本高、功率大、控制效率低等缺点，由于温度变化过程的滞后性致使系统温度波动较大，不利于半导体激光器工作的稳定性；此外，不能实时进行远程检测半导体激光器的工作温度状态和具有报警及系统响应措施的功能。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种控温范围大、响应时间短的半导体激光温度控制系统及设备；同时本实施例还提供了应用于半导体激光温度控制系统的半导体激光温度控制方法。

第一方面，本申请的技术方案提供了一种半导体激光温度控制系统，包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路和温度采集电路；

所述温度测量电路用于通过铂热电阻的电阻特性，确定所述铂热电阻的电阻值；根据所述电阻值确定半导体激光器的工作环境温度；所述温度采集电路用于将所述工作环境温度传输至所述实时操作子系统；所述实时操作子系统，用于获取预设温度值；根据预设温度值，通过模糊PID控制进行加热或制冷到预设温度；所述H桥驱动器，用于获取制冷指令控制所述制冷片模块进行制冷，或获取加热指令控制所述制冷片模块进行加热；所述制冷片模块用于对所述半导体激光器进行制冷或加热；所述半导体激光器用于发射激光。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述温度测量电路包括铂热电阻以及若干放大器；

所述铂热电阻，用于获取所述工作环境温度的模拟信号；所述放大器，用于将所述模拟信号进行放大，得到放大模拟信号。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述温度测量电路还包括模数转换电路；所述模数转换电路用于将所述放大模拟信号转换为数字信号。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述制冷片模块包括帕尔贴TEC制冷片、散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源；所述帕尔贴TEC制冷片的冷端接触所述半导体激光器；所述电热丝辅助热源排布在所述散热片上，散热片的栅极与所述帕尔贴TEC制冷片连接，所述散热片的源极和漏极连接至所述散热风扇。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述H桥驱动器包括若干场效应管和若干半桥驱动器，所述场效应管的一端连接至所述半桥驱动器；所述场效应管的另一端连接至所述制冷片模块；所述半桥驱动器用于根据所述制冷指令或所述加热指令输出高电平信号，使所述场效应管导通，进行制冷或加热。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述半导体激光温度控制系统还包括通信模块、声光报警模块、按键模块以及显示模块；所述通信模块连接至所述实时操作子系统，所述声光报警模块连接至所述实时操作子系统，所述按键模块连接至所述实时操作子系统，所述显示模块连接至所述实时操作子系统。

第二方面，本发明的技术方案还提供一种半导体激光温度控制系统，其包括至少一个第一方面中所述半导体激光温度控制系统。

第三方面，本发明的技术方案还提供应用于如第一方面所述的半导体激光温度控制系统的方法，包括以下步骤：

通过铂热电阻的电阻特性，确定所述铂热电阻的电阻值；根据所述电阻值确定半导体激光器的工作环境温度；

获取预设温度值；

确定所述工作环境温度大于所述预设温度值，根据所述预设温度值，通过模糊PID控制半导体冷端进行制冷；

或，确定所述工作环境温度小于所述预设温度值，根据所述预设温度值，通过模糊PID控制半导体冷端进行加热。

在本申请方案的一种可行的实施例中，所述模糊PID控制包括：确定所述预设温度值与所述工作环境温度的温度值误差和误差率；根据所述温度值误差和误差率，通过模糊推理机制，确定若干修正增量。

所述方法还包括以下步骤至少之一：根据所述误差，引入或取消模糊PID控制的积分作用；根据所述误差，调整模糊PID控制中积分项的累加速度；根据所述工作环境温度与预设范围阈值，对所述误差进行累加。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本申请的技术方案通过实时操作子系统控制制冷片模块，能够有效地解决因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等问题，提高了控制效率；同时，通过H桥驱动电路与温度测量、采集电路的协同，有效地提高了采集温度的精度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种半导体激光器温度控制系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种温度采集电路的电路原理图；

图3是本申请实施例提供的电热丝辅助热源的驱动电路的电路原理图；

图4是本申请实施例提供的H桥驱动器的电路原理图；

图5是本申请实施例提供的电源模块的电路原理图；

图6是本申请实施例提供的半导体激光器温度控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

首先针对本申请技术方案中出现的名词进行解释：PID控制，是指比例积分微分控制，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

第一方面，如图1所示，本发明所提供的一种半导体激光温度控制系统，其包括实时操作子系统、H桥驱动器、制冷片模块、半导体激光器、温度测量电路和温度采集电路；

其中，实时操作子系统包括第一通用接口和串行接口，第一通用接口连接至H桥驱动器的输入端，H桥驱动器的输出端连接至制冷片模块的输入端，制冷片模块的输出端连接至半导体激光器，半导体激光器连接有温度测量电路，该温度测量电路的输出端连接至温度采集电路的输入端，温度采集电路的输出端连接至实时操作子系统的串行接口。

具体地，在本实施例中，实时操作子系统根据接收的控制指令，结合子系统中设置的模糊PID温度调节机制，通过子系统的GPIO接口，即第一通用接口对制冷片模块和H桥驱动器输出脉冲宽度调制(PWM)信号。实时操作子系统采用MCIMX6Y2CVM08AB的工业级CPU，采用KLM8G1GET作为为EMMC芯片，且包含有GPIO、SPI以及MiniPCIE等丰富的接口。H桥驱动器，主要用作制冷片模块的功率开关电路。制冷片模块可以包括制冷片、散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源等器件，用于实现对半导体激光器的加热或制冷的控温功能。半导体激光器，又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，用于输出激光。温度测量电路和温度采集电路则用于测量并采集激光器当前的温度，并将转换温度转换为对应的数字信号，通过SPI接口反馈至实时操作子系统。

在一些可行的实施例中，温度测量电路包括铂热电阻、第一运算放大器和第二运算放大模组。

其中，第一运算放大器连接至铂热电阻的一端，而铂热电阻连接至第二运算放大模组。具体地，如图2所示，本发明实施例中，温度测量电路是选用体积小、测量精度高、稳定性好的铂热电阻Pt100，该传感器是利用金属的电阻变化随温度的变化呈线性关系的特点，采用四线制的接线方式，首先使用运放U1将基准电压转换为恒流源，此时Pt100产生的微弱压降信号经过运放U2放大后输送的后续的AD转换测量电路，在本实施例中，第一运算放大器即为运放U1，第二运算放大模组即为运放U2，可以包括运放U2A和运放U2B。实施例中的温度采集电路具有抗干扰能力强、不易受环境的影响。

在一些可行的实施例中，温度测量电路还包括模数转换电路。

其中，模数转换电路的输入端连接至第二运算放大模组的输出端，该模数转换电路将转换后的数字信号传输至后续的其他控制电路或、芯片或器件。具体地，本发明实施例的AD转换电路使用TCL2543CN的高速AD转换芯片，12位分辨率，具有66kbps采样率和10us的转换时间，实现了模拟的电压信号转换为数字信号的功能。

在一些可行的实施例中，制冷片模块采用帕尔贴TEC制冷片，帕尔贴TEC制冷片的冷端接触半导体激光器。

具体地，本发明实施例采用适用于温度循环应用而设计的帕尔贴TEC制冷片，该制冷片分为冷端和热端，冷端接触半导体激光器，使用导热硅脂粘合。

在一些可行的实施例中，制冷片模块还包括散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源。

其中，电热丝辅助热源排布在散热片上，散热片的一端与帕尔贴TEC制冷片连接，散热片的另一端连接至散热风扇。具体地，在本发明实施例中，散热片上布有电热丝辅助热源，冷面使用导热硅脂将散热片粘合，散热片另外一端与散热风扇连接在一块，实施例引入这样的温度调节装置有效地解决了因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等缺点。如图3所示，是实施例中电热丝辅助热源的驱动电路，通过PWM信号调节电热丝的温度以获取合适的热源温度。

在一些可行的实施例中，H桥驱动器包括若干场效应管和若干半桥驱动器。

其中，场效应管的栅极连接至半桥驱动器，场效应管的源极和漏极连接至制冷片模块。具体地，如图4所示，H桥驱动器作为制冷片的功率开关电路，由4个N型MOS管组成，下桥臂的Q2、Q4MOS管导通压降只需使得V

在一些可行的实施例中，半导体激光温度控制系统还包括通信模块；实时操作子系统还包括高速串行接口。

其中，该通信模块的输入端连接至高速串行接口即实时操作子系统的MiniPCIE接口。具体地，在本发明实施例中，通信模块采用ME3630 4G模块，在LTE模式下可以提供50Mbps上行速率以及150Mbps的下行速率，系统带有Nano SIM接口，接入手机卡可实现与移动终端的4G通信。

在一些可行的实施例中，半导体激光温度控制系统还包括声光报警模块，实时操作子系统还包括第二通用接口。

其中，与第一通用接口相同，第二通用接口为GPIO接口。具体地，在本发明实施例中，声光指示模块是指含有声音、指示灯提示电路，当检测到温度异常时，此时声音报警，指示灯快闪；如图5所示，电源模块使用PW2153的降压控制器，调节R25和R26使得输出电压为12V，调节电阻R24使得电源输出最大电流为10A，12V的电压经过SU5-48S05三端稳压器降压为DC5V，DC5V经过ASM1117-3V3的LDO稳压器稳压成DC3.3V，其中电容C9，C10，C11，C12，C13起滤除电源纹波作用，将得到DC12V，DC5V和DC3.3V分别输送到所需的各个硬件模块，完成了不同模块电源的供应。此外，每个电源的状态都有不同指示灯显示，如DC20V、DC12V、DC5V、DC3V3分别用红、绿、黄以及蓝光显示。

在一些可行的实施例中，本发明实施例还包括按键模块以及显示模块。

其中，案件模块和显示模块均连接至实时操作子系统。具体地，可以使用按键对PID相关的恒温温度的设定，操作液晶屏对系统温度曲线的实时显示、以及与移动终端的连接状态显示。

综上所示，本发明实施例的完整实施过程为：实时操作子系统通过GPIO口产生PWM波调节电热丝辅助热源温度，使用GPIO接口通过条件判断实现对声音模块和LED光模块的控制，使用SPI接口完成对AD模块的采样读取，使用GPIO口完成对按键和液晶屏的功能操作，使用按键对PID相关的恒温温度的设定，操作液晶屏对系统温度曲线的实时显示、以及与移动终端的连接状态显示。在按键设定控温温度之后，依据当前接收的温度数据和拟设定的温度值的误差、误差率使用模糊推理机制，如模糊化处理、模糊推理、解模糊化，实现PID的三个调节参数K

在第二方面，如图6所示，本申请所提供了应用于的半导体激光温度控制系统中的半导体激光温度控制方法，其包括步骤S100-S400：

S100、通过铂热电阻的电阻特性，确定铂热电阻的电阻值；根据电阻值确定半导体激光器的工作环境温度；

具体地，在实施例中，通过对实时操作子系统关于GPIO、SPI以及MiniPCIE等接口的嵌入式软件开发，使用GPIO口产生PWM波调节电热丝辅助热源温度，使用GPIO接口通过条件判断实现对声音模块和LED光模块的控制，使用SPI接口完成对AD模块的采样读取。

示例性地，实施例中采用的体积小、测量精度高、稳定性好的铂热电阻Pt100贴合在半导体激光器表面，采集半导体激光器的工作环境温度，利用Pt100在温度区间范围为[0℃,850℃]电阻特性：其阻值变化随温度变化呈线性关系，该线性关系如下所示：

R

其中，R

因此，实施例中，温度测量电路中的模数转换电路，可以选用12位分辨率AD转换芯片，例如：TCL2543CN高速AD转换芯片，使用SPI驱动该AD转换器，实现温度的采集。

S200、获取预设温度值；

具体地，实施例中，实时操作子系统使用GPIO接口通过条件判断实现对声音模块和LED光模块的控制，使用SPI接口完成对AD模块的采样读取，使用GPIO口完成对按键和液晶屏的功能操作，使用按键对PID相关的恒温温度的设定。此外，操作液晶屏对系统温度曲线的实时显示、以及与移动终端的连接状态显示。

S300、确定工作环境温度大于预设温度值，根据预设温度值，通过模糊PID控制半导体冷端进行制冷；或，确定工作环境温度小于预设温度值，根据预设温度值，通过模糊PID控制半导体冷端进行加热；

具体地，当检测到采集的半导体激光器实际温度高于设定的温度时，此时系统调节H桥驱动器使得帕尔贴TEC半导体冷端制冷，此时热端的散热风扇打开，对热端进行散热，经过模糊PID控制器输出值改变PWM占空比进行反馈调节，使得帕尔贴TEC半导体制冷得到快速、精确控制，从而使得半导体激光器稳定在设定的工作温度值；当检测到采集的半导体激光器实际温度低于设定的温度时，此时系统调节H桥驱动器使得帕尔贴TEC半导体冷端加热，此时处于热端的散热片上电热丝辅助热源在PWM1输入的驱动电路下打开，此时散热风扇打开，对热端进行加热，经过模糊PID控制器输出值改变PWM占空比进行反馈调节，使得帕尔贴TEC半导体制热得到快速、精确控制，从而使得半导体激光器稳定在设定的工作温度值。

在一些可行的实施例中，本发明实施例中，模糊PID控制还包括：

S310、确定预设温度值与工作环境温度的温度值误差和误差率；

S320、根据温度值误差和误差率，通过模糊推理机制，确定若干修正增量。

具体地，当按键设定控温温度之后，系统会根据当前接收的温度数据和拟设定的温度值的误差e、误差率e

K

K

K

其中，K

在实施例中，PID算法基本表示形式如下：

u(k)＝K

其中，err()表示误差。

此外，本发明使用的PID算法，可以引入积分分离方法，当被控量，即工作环境温度与设定温度值有较大的偏差时，取消积分作用；当被控量接近设定温度值时，引入积分控制，以消除静态误差，提高精度；引入了变积分方法，改变积分项的累加速度，如果偏差越大，积分越慢；反之，积分越快；引入抗积分饱和方法，判断控制量是否超出给定的极限范围，若控制量大于给定的极限范围，则只累加负偏差；若控制量小于给定的极限范围，则只累加正偏差，优化PID整体温度控制性能。

因此，在一些可行的实施例中，半导体激光温度控制方法还包括步骤S400-S600中至少之一：

S400、根据误差，引入或取消模糊PID控制的积分作用；

具体地，引入了积分分离方法，当被控量与设定温度值有较大的偏差时，取消积分作用；当被控量接近设定温度值时，引入积分控制，以消除静态误差，提高精度；此时PID算法可以表达为：

u(k)＝K

其中，err

S500、根据误差，调整模糊PID控制中积分项的累加速度；

具体地，实施例中引入了变积分方法，改变积分项的累加速度，如果偏差越大，积分越慢；反之，积分越快；此时PID算法可以表达为：

u(k)＝K

(m if abs(err)

其中，err

S600、根据工作环境温度与预设范围阈值，对误差进行累加；

具体地，实施例中，引入抗积分饱和方法，判断控制量是否超出给定的极限范围，若控制量大于给定的极限范围，则只累加负偏差；若控制量小于给定的极限范围，则只累加正偏差；此时PID算法可以表达为:

u(k)＝K

(j if err(j)＞0且u(k-1)

其中，umin和umax是输出PID的最小值和最大值，u(k)为PID的输出值。

第三方面，本申请的技术方案还提供本发明的技术方案还提供一种半导体激光温度控制系统，其包括第一方面中半导体激光温度控制系统。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1.本发明提出了一种新的帕尔贴TEC半导体装置，包含有帕尔贴TEC制冷片、散热片、散热风扇以及电热丝辅助热源等，引入了基于PWM调节的电热丝辅助热源，有效地解决了因受到半导体制冷片本身的最大温度差的限制而使得系统的温度调节控温范围小，响应时间长等问题，提高了控制效率；

2.本发明在帕尔贴TEC半导体H桥驱动电路中，为了解决上桥臂的NMOS管GS导通压降问题，在半桥驱动器IR2014的VB端引入了电阻分压电路，保证了当HO端输出为高电平时，上桥臂Q1和Q2的GS端有足够的压降能够被导通，有效地实现了对帕尔贴TEC半导体的加热、制冷的控温功能；

3.本发明的温度采集电路使用的是高精度、稳定性好的铂热电阻Pt100，采用四线制的接线方式和具有强抗干扰能力的恒流源式，有效地提高了采集温度的精度和稳定性；

4.本发明激光半导体控温系统包含有温度调控、按键输入、屏幕显示、声光报警、4G远程通信等齐全功能，使得整个系统人机交互友好，使得该系统一方面温度调控正常进行，一方面实时监控系统环境温度并进行曲线显示，当系统环境温度连续一段时间出现异常值，此时进行声光报警提示，同时还可以通过系统命令强行关闭系统，并在移动终端记录这条异常信息，方便后续的问题排查和系统改进。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。