一种TOSA光器件TEC控制装置的制作方法

一种tosa光器件tec控制装置
技术领域
1.本实用新型涉及光模块温控技术领域，具体涉及一种tosa光器件tec控制装置。


背景技术：

2.随着光纤通信网络架构中传输速率的不断提升及机架密度的增加及小型化的趋势，散热已成为光电器件(模块)不可忽视的问题，为了使tosa(光发射组件)的laser(激光器)处于比较合适的温度条件下工作，目前对于大多数的光器件来说，在测试和使用时都需要使用到tec(thermoelectroniccooler热电制冷)控制器，很多tosa厂家是直接从其他厂家购买现成的tec控制器，如此虽然省略了开发控制器的时间，却造成了整个系统体积过于庞大，例如市场上现有的tec控制器(如ted200c)体积大小为146mm*290mm*66mm，动辄数千元一台，还提高了整个系统的成本。
3.授权公告号为cn203133630u的公开专利公开了一种半导体制冷器模拟pid温控电路参数自整定系统，包括上位机、控制pid温控电路参数自整定过程的主控模块、模拟pid温控模块、热电制冷驱动模块和测温模块，该系统用于红外探测器的制冷控制领域，而在光模块领域，尚待开发一种体积微小，成本低廉、可以根据产品的不同温度工作条件而能随意对温度进行更改设置的tec控制装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服光模块领域现有技术中使用市场上现成的tec控制器而造成体积庞大、成本高昂的问题，提供一种tosa光器件tec控制装置。
5.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：
6.一种tosa光器件tec控制装置，包括主控模块，所述主控模块用于从上位机接收温度控制指令，其特征在于，还包括数模转换模块和热电制冷控制模块，
7.所述主控模块输出所述温度控制指令到所述数模转换模块，
8.所述数模转换模块根据所述温度控制指令输出相应的预期电压，
9.所述热电制冷控制模块输入所述预期电压，输出差分驱动电压至半导体制冷片，驱动半导体制冷片工作。
10.进一步的，所述热电制冷控制模块包括tec芯片u2、温度反馈电路和模拟pid补偿电路，所述tec芯片u2分别连接所述温度反馈电路和所述模拟pid补偿电路；
11.所述温度反馈电路输出当前温度信号；
12.所述tec芯片u2输入所述预期电压和所述当前温度信号；
13.所述模拟pid补偿电路用于根据所述当前温度信号，对所述预期电压进行自动pid补偿，调整所述半导体制冷片的电流；
14.所述tec芯片u2还用于输出所述差分驱动电压。
15.优选的，所述tec芯片u2的型号为adn8834。
16.进一步的，所述模拟pid补偿电路包括电容c98、电容c107、电容c108、电阻r107、电
阻r111和电阻r116；
17.所述tec芯片u2的out1引脚与in2n引脚之间串联电阻r111，所述电容c98的一端与电阻r107的一端连接，电容c98的另一端连接所述in2n引脚，电阻r107的另一端连接所述out1引脚；
18.所述tec芯片u2的out2引脚与in2n引脚之间串联电容c107，所述电容c108的一端与电阻r116的一端连接，电容c108的另一端连接所述out2引脚，电阻r116的另一端连接所述in2n引脚。
19.进一步的，所述温度反馈电路包括电阻r103、电阻r104、电阻r109和电阻r209，其中所述电阻r209为热敏电阻，
20.所述tec芯片u2的out1引脚与所述tec芯片u2的in1n引脚之间串联电阻r109，
21.所述tec芯片u2的in1n引脚与所述tec芯片u2的vref引脚之间串联电阻r103，
22.所述tec芯片u2的in1n引脚上串联电阻r104和电阻r209后连接到地。
23.优选的，所述数模转换模块的型号为ltc2632，所述数模转换模块通过其dac输出端与所述tec芯片u2的in2p引脚连接，输出所述预期电压。
24.优选的，所述主控模块与所述数模转换模块之间使用spi总线连接，采用spi协议传输所述温度控制指令。
25.优选的，还包括通信协议转换模块，所述通信协议转换模块连接在上位机和主控模块之间，用于当上位机与主控模块接口不一致时按照相应的通信协议进行数据包格式的转换。
26.优选的，所述通信协议转换模块采用usb转uart芯片，型号为ch340g，所述usb转uart芯片与上位机之间使用usb总线连接，所述usb转uart芯片与主控模块之间使用uart总线连接。
27.进一步的，还包括电源模块，所述电源模块包括第一稳压芯片和第二稳压芯片，所述第一稳压芯片分别与所述通信协议转换模块、主控模块和数模转换模块连接，用于提供第一直流电源，所述第二稳压芯片与所述热电制冷控制模块连接，用于提供第二直流电源。
28.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
29.1、通过提供一种tosa光器件tec控制装置，使用时，可在电脑上位机软件设置预期温度值，计算出对应的预期电压值，即温度控制指令，然后将温度控制指令下发给主控模块，主控模块收到温度控制指令后将其给数模转换模块，以控制数模转换模块输出预期电压，然后经模拟pid补偿电路自动调整，从而控制半导体制冷片的电流，令tec制冷片工作在我们需要的温度条件下，该装置可进行可视化操作设置，连接电脑后，可通过运行的上位机软件来设置tec控制器的目标温度，本装置自动调整tec制冷片的电流，以使tec制冷片的温度恒定在需要的目标温度附近，整个调整过程仅需要几秒钟即可完成，该控制器体积小，非常易于集成到自动化设备中使用，携带和使用非常方便；
30.2、本实用新型可以通过对温度反馈电路的电阻元件进行参数的调整，对tec制冷片的最大电流和电压进行限定，从而设置不同的温度设定范围，以达到保护tec制冷片的目的，由此具有电源输出保护功能，另一方面，通过tec芯片u2的第21引脚out1的电压随着热敏电阻r209阻值的变化而变化，反映了实时温度值，实现对tec制冷片的电流和电压的监控；
31.3、由于单片机无法与电脑的usb接口直接进行通讯，本实用新型采用通信协议转换模块将usb转换为可与单片机直接通讯的uart接口，另一方面，通过ch340g芯片还可以实现通过usb将固件程序下载到mcu主控芯片flash中，无需专用烧录器，boot0信号会在该模块的控制下进行自动电平切换，省去了传统的手动跳线切换的麻烦，该电路外围元件少，使用非常方便。
附图说明
32.图1为一种tosa光器件tec控制装置的连接框图；
33.图2为电源模块中第一稳压芯片u5的电路原理图；
34.图3为电源模块中第二稳压芯片u6的电路原理图；
35.图4为通信协议转换模块的电路原理图；
36.图5为主控模块的电路原理图；
37.图6为数模转换模块的电路原理图；
38.图7为热电制冷控制模块的电路原理图。
具体实施方式
39.下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
40.实施例1
41.一种tosa光器件tec控制装置，如图1所示，包括电源模块，以及依次连接的通信协议转换模块、主控模块、数模转换模块和热电制冷控制模块；该控制器电路的通信协议转换模块与上位机直接连接。
42.电源模块如图2和图3所示，包括第一稳压芯片u5和第二稳压芯片u6，所述第一稳压芯片u5的第三引脚v
out
输出直流电压vccmcu，分别与所述通信协议转换模块、主控模块和数模转换模块连接，用于提供第一直流电源，所述第二稳压芯片u6的第二引脚out输出直流电压vcctec，与所述热电制冷控制模块连接，用于提供第二直流电源；
43.本实用新型连接外部系统的电源适配器可以选择220vac输入，5v/3a dc输出，尺寸小巧，仅75mm*50mm*30mm，便于携带；由于主控模块、数模转换模块等芯片供电为3.3v，故需要将5v dc转换为3.3v dc，该部分选择低成本ldo芯片lm1117-3.3为通信协议转换模块、主控模块和数模转换模块供电；另外tec部分功率相对较高，故采用功率更大些的芯片lm2596s为热电制冷控制模块供电，该器件配合几个外围滤波电容元件，即可实现5v转3.3v电压转换。图2中vccmcu为主控模块即mcu和数模转换模块dac等的供电网络，图3中vcctec为热电制冷控制模块tec的供电网络。
44.所述上位机用于输入预期温度值，输出温度控制指令；本实用新型所述上位机为电脑，并安装软件，按照现有软件计算方法将预期温度值转换为预期电压值，即温度控制指令，通过usb输出口输出；
45.通信协议转换模块连接在上位机和主控模块之间，用于当上位机(usb口)与主控模块(uart口)接口不一致时按照相应的通信协议对温度控制指令进行数据包格式的转换，
将格式转换后的温度控制指令输出给主控模块；所述通信协议转换模块具体电路如图4所示，采用usb转uart芯片来实现，型号为ch340g，usb转uart芯片与上位机之间使用usb总线连接，usb转uart芯片与主控模块之间使用uart总线连接；
46.由于单片机无法与电脑的usb接口直接进行通讯，故采用通信协议转换模块将usb转换为可与单片机直接通讯的uart接口，另一方面，通过ch340g芯片还可以实现通过usb将固件程序下载到mcu主控芯片flash中，无需专用烧录器，boot0信号会在该模块的控制下进行自动电平切换，省去了传统的手动跳线切换的麻烦，该电路外围元件少，使用非常方便。
47.主控模块具体电路如图5所示，本实用新型采用st公司的低成本32位芯片stm32f103系列作为主控mcu，该芯片采用48-lqfp封装，外形尺寸仅为7mm*7mm*1.4mm，非常方便小批量生产的用户进行手动焊接，该芯片可在-40℃～85℃恶劣的温度条件下长期工作，性能稳定，最高运行速度可达72mhz，相比传统的51单片机在运行速度上有天壤之别，性能优异，该芯片内置flash程序容量为64k，内置ram容量为20k，对于微小型的项目应用绰绰有余；综上所述，stm32f103非常适用于本实用新型所需的低成本，微小尺寸的应用环境；
48.主控模块与所述数模转换模块之间使用spi总线连接，采用spi协议传输所述温度控制指令到所述数模转换模块。
49.所述数模转换模块如图6所示，采用adi的ltc系列ltc2632 12位dac芯片，可以大大地提高输出电压分辨率，此芯片自带spi串行通信接口，利用此接口可以非常方便地与主控模块mcu进行数据交换，外围电路只需要接几个电容，使用非常方便；
50.数模转换模块根据所述温度控制指令，将其转换为模拟电压，即所述预期电压，通过vouta引脚输出到热电制冷控制模块，vouta引脚连接图7中热电制冷控制模块的控制输入端temp。
51.所述热电制冷控制模块如图7所示，图中vcctec为tec提供电源；temp输入所述预期电压；tec+和tec-分别接tec半导体制冷片的正负端，输出差分驱动电压至半导体制冷片；
52.热电制冷控制模块包括tec芯片u2、温度反馈电路和模拟pid补偿电路，所述tec芯片u2分别连接所述温度反馈电路和所述模拟pid补偿电路；
53.tec芯片u2的型号为adn8834，vref为tec芯片u2的输出参考电压；
54.模拟pid补偿电路包括电容c98、电容c107、电容c108、电阻r107、电阻r111和电阻r116；所述tec芯片u2的out1引脚与in2n引脚之间串联电阻r111，所述电容c98的一端与电阻r107的一端连接，电容c98的另一端连接所述in2n引脚，电阻r107的另一端连接所述out1引脚；所述tec芯片u2的out2引脚与in2n引脚之间串联电容c107，所述电容c108的一端与电阻r116的一端连接，电容c108的另一端连接所述out2引脚，电阻r116的另一端连接所述in2n引脚。电容c98、电容c107、电容c108、电阻r107、电阻r111和电阻r116以及所述tec芯片u2中的零漂移斩波放大器配合，构成模拟pid补偿电路。
55.温度反馈电路包括电阻r103、电阻r104、电阻r109和电阻r209；
56.其中所述电阻r209为热敏电阻(可为ntc或ptc)，本实用新型采用的是ntc热敏电阻，该可变电阻将为tec控制器提供反馈信号，以确定tec是否达到设置的温度；所述tec芯片u2的out1引脚与所述tec芯片u2的in1n引脚之间串联电阻r109，所述tec芯片u2的in1n引脚与所述tec芯片u2的vref引脚之间串联电阻r103，所述tec芯片u2的in1n引脚上串联电阻
r104和电阻r209后连接到地；
57.根据温度反馈电路的连接关系，芯片and8834的第21引脚out1的电压vout1为：
58.vout1＝(r109/(r209+r104)-r109/r103+1)*vref/2(1)
59.由公式(1)可见，第21引脚out1的电压vout1随着热敏电阻r209阻值的变化而变化，即，第21引脚的实际电压反应了热敏电阻的实时阻值，而热敏电阻阻值与温度有关，从而也反映了实时温度值。在本实用新型中采用dac输出电压的控制方式来实现目标温度的设置，故r102为nc，无需焊接。
60.本实用新型可以通过对上述温度反馈电路的电阻元件进行参数的调整，对tec制冷片的最大电流和电压进行限定，从而设置不同的温度设定范围，以达到保护tec制冷片的目的，由此具有电源输出保护功能，另一方面，通过tec芯片u2的第21引脚out1的电压随着热敏电阻r209阻值的变化而变化，反映了实时温度值，实现对tec制冷片的电流和电压的监控。
61.在电脑上位机软件设置需要的温度，即所述预期温度值，由软件计算出对应的预期电压值，即所述温度控制指令，然后通过usb转usart通讯电路，将温度控制指令下发给mcu，mcu收到后将温度控制指令发送给dac模块，dac的输出端连接到temp，输出所述预期电压；
62.当当前温度不等于预期温度时，模拟pid补偿电路用于根据所述当前温度信号，对所述预期电压进行自动pid补偿，当模拟pid补偿电路达到稳定状态时，tec芯片u2的第21引脚out1的电压vout1等于dac输出的预期电压，亦即此时tec控制器将tec制冷片的温度锁定在了需要的温度处，此时芯片的第20引脚tempgood输出高电压，代表温度已锁定。
63.由现有技术可知，ntc热敏电阻的阻值与温度有如下关系，
64.rt＝r*exp(b*(1/t1-1/t2))(2)
65.其中，t1和t2指k度即开尔文温度，k度＝273.15(绝对温度)+摄氏度，t2＝(273.15+25)，rt指热敏电阻在t1温度下的阻值，r是热敏电阻在t2常温下的标称阻值，b值是热敏电阻的重要参数，exp是e的n次方；
66.将预期温度值代入公式(2)，即代入t1，可求出对应的热敏电阻的阻值rt，然后将rt＝r209代入公式(1)，可求出vout1,vout1即为预期电压值。
67.使用时，可在电脑上位机软件设置需要的温度，公式(1)为本领域技术人员根据温度反馈电路的连接关系可以推理得到的分压计算方式，公式(2)在《传感器原理与应用》(韩向可、李军民，电子科技大学出版社，2016年09月30日)已公开，由于公式(1)和公式(2)本领域技术人员所能得知的软件计算方法计算出对应的预期电压值，即温度控制指令，然后通过通信协议转换模块，将温度控制指令下发给主控模块，主控模块收到温度控制指令后将其给数模转换模块，以控制数模转换模块输出预期电压，然后经模拟pid补偿电路自动调整，使tec芯片u2的out1引脚的电压vout1达到预期电压，从而控制半导体制冷片的电流，令tec制冷片工作在我们需要的温度条件下；
68.该装置可进行可视化操作设置，连接电脑后，可通过运行的上位机软件来设置tec控制器的目标温度，装置自动调整tec制冷片的电流，以使tec制冷片的温度恒定在需要的目标温度附近，整个调整过程仅需要几秒钟即可完成，该控制器体积小，非常易于集成到自动化设备中使用，携带和使用非常方便。
69.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。