专利名称：一种被动型cpt原子钟的温控参数自整定方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于原子钟领域，具体涉及一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法还涉及一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，适用于被动型CPT原子钟。
背景技术：
被动型CPT原子钟是基于相干双色光与原子相互作用产生的CPT共振现象而实现的一种原子钟，由于其功耗和体积上的明显优势而得到迅速发展。被动型CPT原子钟主要 由物理系统、微波系统、伺服系统和温控系统四部分组成。物理系统是被动型CPT原子钟的核心部件，主要由原子蒸汽泡、VCSEL、光电探测器等组成。将物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制得越稳定，物理系统进而原子钟工作性能越好。特别是将温度长期起伏控制在尽量小的范围是获得被动型CPT原子钟优秀中、长期频率稳定度指标的重要条件。我们研制的被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL工作于不同温度，需要分别进行控温。其中原子蒸汽泡需要通过加热控温于较高温度，保证足够工作原子与激光相互作用获得高质量CPT鉴频信号；而VCSEL需要在比所处物理系统的温度低时才能提供所需波长的激光，因此需要通过制冷控温于较低温度。另外，由于所使用的VCSEL输出波长随温度变化非常明显，对VCSEL的控温精度需要比原子蒸汽泡高一到两个量级才能保持输出波长的稳定。目前已有多种温控系统方案应用于原子钟，通过模拟电路实现的温控系统功耗和体积较大且不容易调节，不适合应用于小体积、低功耗的被动型CPT原子钟，常用的数字温控电路存在控制参数难以调节、采集的信号信噪比低导致控温精度不高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法。该方法利用基于LabVIEW开发平台的上位机与被动型CPT原子钟进行全双工通信，实现了对被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制参数的自整定。本发明的另一目的在于提供了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置。该装置能对被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度进行有效地控制，并在环境温度变化和噪声等因素影响下，通过基于LabVIEW开发平台的上位机对温控参数进行自整定。该装置精度高，功耗低，满足被动型CPT原子钟对高精度和低功耗的要求，且极大地节省了温控调试时的人力资源，非常有利于被动型CPT原子钟的产品化。为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，包括以下步骤
步骤I、采集原子蒸汽泡和VCSEL的温度信息，并转换成对应的数字温度信息传递到微控制器；
步骤2、微控制器对原子蒸汽泡和VCSEL的数字温度信息进行滤波处理；
步骤3、计算经过滤波处理后的原子蒸汽泡的数字温度信息与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制加热丝进行加热；计算经过滤波处理后的VCSEL的数字温度信息与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制TEC进行制冷；步骤4、对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定；对VCSEL的温控PID参数值进行自整定。如上所述的步骤I包括以下步骤
步骤I. I、将第一热敏电阻设置于原子蒸汽泡处，将第二热敏电阻设置在VCSEL处；步骤I. 2、将第一热敏电阻采集的信息依次通过第一惠斯通电桥和第一仪表放大器传送到模数转换器进行转换后得到原子蒸汽泡的数字温度信息；将第二热敏电阻采集的信息依次通过第二惠斯通电桥和第二仪表放大器传送到模数转换器进行转换后得到VCSEL的数字温度信息；
步骤I. 3、模数转换器将原子蒸汽泡的数字温度信息和VCSEL的数字温度信息传送到 微控制器。如上所述的步骤2中的滤波处理是基于卡尔曼滤波。如上所述的步骤4中的对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤
步骤4. I、基于LabVIEW开发平台的上位机判断能否采集到反映原子蒸汽泡温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤4. 2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定；
步骤4. 2、初始化原子蒸汽泡的温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送原子蒸汽泡PID初始值至微控制器，初始化原子蒸汽泡最优P、I、D值为零值，将原子蒸汽泡P值初始化为原子蒸汽泡P值扫描起点，原子蒸汽泡P值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡P值至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡P值下进行控温；
步骤4. 3、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 4、以固定步长增加原子蒸汽泡P值，判断原子蒸汽泡P值是否为原子蒸汽泡P值扫描终点，若是，则将步骤4. 3中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡P值设为原子蒸汽泡最优P值，并将原子蒸汽泡最优P值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值下进行控温，进入步骤4. 5 ;若不是，则将原子蒸汽泡P值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡P值下进行控温并返回步骤4. 3 ；
步骤4. 5、将原子蒸汽泡I值初始化为原子蒸汽泡I值扫描起点，原子蒸汽泡I值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡I值至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温；
步骤4. 6、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 7、以固定步长增加原子蒸汽泡I值，判断原子蒸汽泡I值是否为原子蒸汽泡I值扫描终点，若是，则将步骤4. 6中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡I值设为原子蒸汽泡最优I值，并将原子蒸汽泡最优I值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡最优I值下进行控温，进入步骤4. 8 ;若不是，则将原子蒸汽泡I值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温并返回步骤4. 6 ；步骤4. 8、将原子蒸汽泡D值初始化为原子蒸汽泡D值扫描起点，原子蒸汽泡D值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡D值至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温；
步骤4. 9、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 10、以固定步长增加原子蒸汽泡D值，判断原子蒸汽泡D值是否为原子蒸汽泡D值扫描终点，若是，则将步骤4. 9中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡D值设为原子 蒸汽泡最优D值，并将原子蒸汽泡最优D值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡最优D值下进行控温，进入步骤4. 11 ;若不是，则将原子蒸汽泡D值发送至微控制器，微控制器在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温并返回步骤4. 9 ；
步骤4. 11、计算当前原子蒸汽泡的温控最优PID参数值与原子蒸汽泡的温控前最优PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束原子蒸汽泡的温控PID参数值的自整定，否贝U，返回步骤4. 2。如上所述的步骤4中的对VCSEL的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤步骤5. I、基于LabVIEW开发平台的上位机判断能否采集到反映VCSEL温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤5. 2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定；
步骤5. 2、初始化VCSEL温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送PID初始值至微控制器，初始化VCSEL的最优P、I、D值为零值，将VCSEL的P值初始化为VCSEL的P值扫描起点，VCSEL的P值以固定步长增加之后发送VCSEL的P值至微控制器，微控制器在VCSEL的P值下进行控温；
步骤5. 3、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 4、以固定步长增加VCSEL的P值，判断VCSEL的P值是否为VCSEL的P值扫描终点，若是，则将步骤5. 3中差值的平方和最小时对应的VCSEL的P值设为VCSEL的最优P值，并将VCSEL的最优P值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值下进行控温，进入步骤5. 5 ;若不是，则将VCSEL的P值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的P值下进行控温并返回步骤5. 3;
步骤5. 5、将VCSEL的I值初始化为VCSEL的I值扫描起点，VCSEL的I值以固定步长增加之后发送VCSEL的I值至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温；
步骤5. 6、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 7、以固定步长增加VCSEL的I值，判断VCSEL的I值是否为VCSEL的I值扫描终点，若是，则将步骤5. 6中差值的平方和最小时对应的VCSEL的I值设为VCSEL的最优I值，并将VCSEL的最优I值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值和VCSEL的最优I值下进行控温，进入步骤5. 8 ;若不是，则将VCSEL的I值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温并返回步骤5. 6 ；
步骤5. 8、将VCSEL的D值初始化为VCSEL的D值扫描起点，VCSEL的D值以固定步长增加之后发送VCSEL的D值至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温；
步骤5. 9、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算 计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 10、以固定步长增加VCSEL的D值，判断VCSEL的D值是否为VCSEL的D值扫描终点，若是，则将步骤5. 9中差值的平方和最小时对应的VCSEL的D值设为VCSEL的最优D值，并将VCSEL的最优D值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的最优D值下进行控温，进入步骤5. 11 ;若不是，则将VCSEL的D值发送至微控制器，微控制器在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温并返回步骤5. 9 ；
步骤5. 11、计算当前VCSEL的最优温控PID参数值与前VCSEL的最优温控PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束VCSEL的温控PID参数值的自整定，否则，返回步骤5. 2。一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，包括 第一热敏电阻，用于测量原子蒸汽泡的温度；
第二热敏电阻，用于测量VCSEL的温度；
第一波形转换模块，用于将第一热敏电阻的输出进行整形放大并传送至模数转换器； 第二波形转换模块，用于将第二热敏电阻的输出进行整形放大并传送至模数转换器； 模数转换器，用于进行模数转换并将转换后的数据传送到微控制器；
微控制器，用于进行数据采集和PID运算，并根据PID运算结果控制第一开关和第二开关的开合，通过RS232接口与上位机通讯；
第一开关，通过第一低通滤波器与加热丝连接；
第二开关，通过第二低通滤波器与TEC连接；
加热丝，用于加热原子蒸汽泡；和 TEC，用于制冷VCSEL。如上所述的第一波形转换模块包括依次连接的第一惠斯通电桥和第一仪表放大器；所述的第二波形转换模块包括依次连接的第二惠斯通电桥和第二仪表放大器。与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是
I、本发明实现了被动型CPT原子钟与基于LabVIEW开发平台的上位机之间的全双工通信，弥补了被动型CPT原子钟内部反映温度变化的数字量无法测量的不足，改善了被动型CPT原子钟的物理系统中VCSEL和原子蒸汽泡温度控制的调试和诊断方式。
2、调试温控PID参数时，本发明采用基于LabVIEW开发平台的上位机进行自整定，提高了温控PID参数的调节精度，且整个调试过程无需人为干预，极大地节省了人力资源，有利于被动型CPT原子钟的产品化。3、本发明实现的温控电路功耗低、精度高，明显改善了被动型CPT原子钟的频率稳定度，特别适合应用于被动型CPT原子钟。
图I为本发明装置的原理示意 图2为本发明的第一惠斯通电桥/第二惠斯通电桥的原理示意 图3为本发明方法的流程示意图；
图4为本发明方法PID参数自整定的流程示意图。其中1_原子蒸汽泡，2-VCSEL，3_第一热敏电阻，4-第二热敏电阻，5-第一惠斯通电桥，6-第二惠斯通电桥,7-第一仪表放大器,8-第二仪表放大器,9-模数转换器,10-微控制器，11-第一开关，12-第二开关，13-第一低通滤波器，14-第二低通滤波器，15-加热丝，16-TEC，17-电平转换模块，18-RS232接口，19-上位机。
具体实施例方式 下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。如图:T图4所示，一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，包括以下步骤 步骤I、采集原子蒸汽泡I和VCSEL2的温度信息，并转换成对应的数字温度信息传递到
微控制器10 ；
步骤I包括以下步骤
步骤I. I、将第一热敏电阻3设置于原子蒸汽泡I处，将第二热敏电阻4设置在VCSEL2
处；
步骤I. 2、将第一热敏电阻3采集的信息依次通过第一惠斯通电桥5和第一仪表放大器7传送到模数转换器9进行转换后得到原子蒸汽泡I的数字温度信息；将第二热敏电阻4采集的信息依次通过第二惠斯通电桥6和第二仪表放大器8传送到模数转换器9进行转换后得到VCSEL2的数字温度信息；
步骤I. 3、模数转换器9将原子蒸汽泡I的数字温度信息和VCSEL2的数字温度信息传送到微控制器10。步骤2、微控制器10对原子蒸汽泡I和VCSEL2的数字温度信息进行滤波处理； 步骤2中的滤波处理是基于卡尔曼滤波。步骤3、计算经过滤波处理后的原子蒸汽泡I的数字温度信息与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制加热丝15进行加热；计算经过滤波处理后的VCSEL2的数字温度信息与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制TEC16进行制冷；
步骤4、对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定；对VCSEL的温控PID参数值进行自整定。
步骤4中的对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤
步骤4. I、基于LabVIEW开发平台的上位机19判断能否采集到反映原子蒸汽泡温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤4. 2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定；
步骤4. 2、初始化原子蒸汽泡的温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送原子蒸汽泡PID初始值至微控制器10，初始化原子蒸汽泡最优P、I、D值为零值，将原子蒸汽泡P值初始化为原子蒸汽泡P值扫描起点，原子蒸汽泡P值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡P值至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡P值下进行控温；
步骤4. 3、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 4、以固定步长增加原子蒸汽泡P值，判断原子蒸汽泡P值是否为原子蒸汽泡P 值扫描终点，若是，则将步骤4. 3中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡P值设为原子蒸汽泡最优P值，并将原子蒸汽泡最优P值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值下进行控温，进入步骤4. 5 ;若不是，则将原子蒸汽泡P值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡P值下进行控温并返回步骤4. 3 ；
步骤4. 5、将原子蒸汽泡I值初始化为原子蒸汽泡I值扫描起点，原子蒸汽泡I值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡I值至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温；
步骤4. 6、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 7、以固定步长增加原子蒸汽泡I值，判断原子蒸汽泡I值是否为原子蒸汽泡I值扫描终点，若是，则将步骤4. 6中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡I值设为原子蒸汽泡最优I值，并将原子蒸汽泡最优I值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡最优I值下进行控温，进入步骤4. 8 ;若不是，则将原子蒸汽泡I值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温并返回步骤4. 6 ；
步骤4. 8、将原子蒸汽泡D值初始化为原子蒸汽泡D值扫描起点，原子蒸汽泡D值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡D值至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温；
步骤4. 9、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤4. 10、以固定步长增加原子蒸汽泡D值，判断原子蒸汽泡D值是否为原子蒸汽泡D值扫描终点，若是，则将步骤4. 9中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡D值设为原子蒸汽泡最优D值，并将原子蒸汽泡最优D值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡最优D值下进行控温，进入步骤4. 11 ;若不是，则将原子蒸汽泡D值发送至微控制器10，微控制器10在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温并返回步骤4. 9 ；
步骤4. 11、计算当前原子蒸汽泡的温控最优PID参数值与原子蒸汽泡的温控前最优PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束原子蒸汽泡的温控PID参数值的自整定，否贝U，返回步骤4. 2。步骤4中的对VCSEL的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤
步骤5. I、基于LabVIEW开发平台的上位机19判断能否采集到反映VCSEL温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤5.2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定；
步骤5. 2、初始化VCSEL温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送PID初始值至微控制器10，初始化VCSEL的最优P、I、D值为零值，将VCSEL的P值初始化为VCSEL的P值 扫描起点，VCSEL的P值以固定步长增加之后发送VCSEL的P值至微控制器10，微控制器10在VCSEL的P值下进行控温；
步骤5. 3、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 4、以固定步长增加VCSEL的P值，判断VCSEL的P值是否为VCSEL的P值扫描终点，若是，则将步骤5. 3中差值的平方和最小时对应的VCSEL的P值设为VCSEL的最优P值，并将VCSEL的最优P值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值下进行控温，进入步骤5. 5 ;若不是，则将VCSEL的P值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的P值下进行控温并返回步骤5. 3 ；
步骤5. 5、将VCSEL的I值初始化为VCSEL的I值扫描起点，VCSEL的I值以固定步长增加之后发送VCSEL的I值至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温；
步骤5. 6、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 7、以固定步长增加VCSEL的I值，判断VCSEL的I值是否为VCSEL的I值扫描终点，若是，则将步骤5. 6中差值的平方和最小时对应的VCSEL的I值设为VCSEL的最优I值，并将VCSEL的最优I值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值和VCSEL的最优I值下进行控温，进入步骤5. 8 ;若不是，则将VCSEL的I值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温并返回步骤5. 6 ；
步骤5. 8、将VCSEL的D值初始化为VCSEL的D值扫描起点，VCSEL的D值以固定步长增加之后发送VCSEL的D值至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温；
步骤5. 9、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和；
步骤5. 10、以固定步长增加VCSEL的D值，判断VCSEL的D值是否为VCSEL的D值扫描终点，若是，则将步骤5. 9中差值的平方和最小时对应的VCSEL的D值设为VCSEL的最优D值，并将VCSEL的最优D值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的最优D值下进行控温，进入步骤5. 11 ;若不是，则将VCSEL的D值发送至微控制器10，微控制器10在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温并返回步骤5. 9;
步骤5. 11、计算当前VCSEL的最优温控PID参数值与前VCSEL的最优温控PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束VCSEL的温控PID参数值的自整定，否则，返回步骤5. 2。本发明方法基于以下原理
如图I所示，将第一热敏电阻3和第二热敏电阻4分别置于原子蒸汽泡处I和VCSEL2处，第一热敏电阻3和第二热敏电阻4通过引线分别连接到位于被动型CPT原子钟的物理系统外面的第一惠斯通电桥5和第二惠斯通电桥6。其中前端温度采集电路原理图如图2所示。第一惠斯通电桥5和第二惠斯通电桥6上的固定电阻阻值分别为20kQ与5kQ，参考电压为2. 5V,滤波电容为2. 2 ii F。第一惠斯通电桥5和第二惠斯通电桥6的电压输出分别经过第一仪表放大器7和第二仪表放大器8进行差分放大，其中设置仪表放大器增益的 电阻RG为100Q，仪表放大器增益为1001。放大后的结果再由模数转换器9进行采集并转换为数字信号，其中模数转换器位数为24位，参考电压为2. 5V，输入时钟为10MHz，数据输出速率为39. 0625Hz。微控制器10通过SPI接口获取模数转换器9两路通道转换的反映原子蒸汽泡I和VCSEL2温度的数字信号。获取两种数据是采用在模数转换器9两路通道之间不断切换的方式下完成的。通过计算可知，原子蒸汽泡I和VCSEL2控温点所对应的数字量为O。微控制器10首先是采用卡尔曼滤波算法对两种数字信号分别进行滤波处理，接着微控制器计算滤波处理后的信号与控温点所对应的数字量的差值，并对此差值进行PID计算，其中PID参数值来自于基于LabVIEW开发平台的上位机。为了提高温控精度，微控制器对PID计算后的结果采用A-2 (Delta-Sigma)调制和PWM调制技术相结合的方式进行处理。PWM调制产生周期固定，占空比可调的方波，通过对方波占空比的调节来改变等效的模拟量，以达到利用数字量来对模拟电路进行控制的目的。用PWM调制得到的方波控制开关，在任何时刻，其输出为ON和OFF两种状态，该方法可使得从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，无需再进行数模转换过程，且该方案的抗干扰能力也大大增强。A-2方法是一种利用过采样机制来提高精度的方法。当需要输出某一特定的功率时，输出PWM方波的占空比不再固定，而是根据A-2算法多次调节PWM方波的占空比来提高输出周期的PWM方波调节精度。在整个输出周期里面调节的次数越多，输出PWM方波的调节精度越高。微控制器10通过I/O引脚将经过A-2调制的两路PWM方波输出到第一开关11和第二开关12，第一开关11连接第一低通滤波器13，第二开关12连接第二低通滤波器13，两个低通滤波器13、14输出的控制量分别至控制原子蒸汽泡I温度的加热丝15和控制VCSEL2温度的TEC16，从而实现温度的控制。在温度控制过程中，基于LabVIEW开发平台的上位机主要实现对PID参数的自整定，并对反映温度变化的数字信号以及PID计算后的结果进行实时监测。具体实施过程中，运行于微控制器的程序如图3所示，具体的流程如下
(I)启动程序后，初始化模数转换器(过程3-1)，设置模数转换器的数据输出速率和采样通道，其中数据输出速率设为39. 0625Hz，采集反映原子蒸汽泡温度变化的数字信号的通道设为正端输入通道O和负端输入通道1，采集反映VCSEL温度变化的数字信号的通道设为正端输入通道6和负端输入通道7。(2)等待中断的发生(过程3-2)，当由模数转换器一次采样完成引起的中断发生时，微控制器选择采样通道(过程3-3)，轮流读取反映原子蒸汽泡温度变化的数字信号(过程3-4)和反映VCSEL温度变化的数字信号(过程3-5)。读取反映温度变化的数字信号之后，首先对数字信号进行数字滤波处理(过程3-6)和(过程3-7)，接着对滤波后的数据进行PID计算(过程3-8和3-9)，之后对PID计算之后的结果进行A-2调制(过程3_10和3-11)和PWM调制过程(3-12和3-13)，最后将调制结果输出至外围电路(过程3-14和
3-15)，并将反映温度变化的数字信号和PID计算结果发送至基于LabVIEW开发平台的上位机(过程3_16和3_17)。(3)等待中断的发生(过程3-2)，当由基于LabVIEW开发平台的上位机发送数据引起的中断发生时，微控制器接受上位机发送的用来进行PID运算的PID参数值(过程
3-18)，并对保存在FLASH中的PID参数值进行更新(过程3_19)，完成之后，通过看门狗重启程序(过程3-20)，从而保存在FLASH中的PID参数值得以生效。具体实施过程中，运行于上位机上的程序如图4所示。程序的具体流程如下
(I)启动LabVIEW程序后，判断能否采集到被动型CPT原子钟发送的反映原子蒸汽泡和VCSEL温度变化的数字信号(过程4-1)，如果能够采集到数据，则程序对数据以波形图的形式进行跟踪显示(过程4-2)，并启动参数自整定按钮(过程4-3)。如果不能采集到，则等待直至超时，并输出错误提示。首先是对原子蒸汽泡控温参数的自整定。(2)初始化原子蒸汽泡温控PID参数的变化范围，P值范围为0. OOOOf 3，I值范围为0. OOOOf 3，D范围值为0. OOOOf 3，并发送PID初始值至被动型CPT原子钟的微控制器(过程4-4)。初始化最优P、I、D值为零值(过程4-5)，最优P、I、D值用来保存某个阶段得到的最佳值。(3)将P值初始化为扫描起点(过程4-6)，P值以固定步长增加之后，发送P值至微控制器(过程4-7)，微控制器在此参数下进行控温。LabVIEW程序开始对采集到的数据进行计数，当计数点数达到所设定值(2000)时，计算这部分数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和(过程4-8)。之后，继续以固定步长增加P值，微控制器在参数值改变之后进行控温，LabVIEff程序采集在此参数值下控温的数据，并进行计数，当计数至设定值时(2000)，计算这段数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和。当P值增加到扫描终点时(过程4-9)，将误差值平方和最小时对应的P值设为最优P值(过程4-10)，并置最优P值为P值发送至微控制器(过程4-11)。(4)将I值初始化为扫描起点(过程4-12)，I值以固定步长增加之后，发送I值至微控制器(过程4-13)，微控制器在此参数下进行控温。LabVIEW程序开始对采集到的数据进行计数，当计数个数达到所设定值(2000)时，计算这部分数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和(过程4-14)。之后，继续以固定步长增加I值，微控制器在参数值改变之后进行控温，LabVIEff程序采集在此参数值下控温的数据，并进行计数，当计数至设定值时(2000)，计算这段数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和。当P值增加到扫描终点时(过程4-15)，将误差值平方和最小时对应的I值设为最优I值(过程
4-16)，并置最优I值为I值发送至微控制器(过程4-17)。
(5)将D值初始化为扫描起点(过程4-18)，D值以固定步长增加之后，发送D值至微控制器(过程4-19)，微控制器在此参数下进行控温。LabVIEW程序开始对采集到的数据进行计数，当计数个数达到所设定值(2000)时，计算这部分数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和(过程4-20)。之后，继续以固定步长增加D值，微控制器在参数值改变之后进行控温，LabVIEff程序采集在此参数值下控温的数据，并进行计数，当计数至设定值时(2000)，计算这段数据与控温点对应的数字信号(0)的差值的平方和。当D值增加到扫描终点时(过程4-21)，将误差值平方和最小时对应的D值设为最优D值(过程4-22)，并置最优D值为D值发送至微控制器(过程4-23)。(6)判断当前最优PID参数值与之前最优PID参数值是否有很大差异(过程
4-24)，若差异小于设定值，参数自整定完成(过程4-25)，否则，继续扫描PID (回到过程
4-6)。 至此，完成了对原子蒸汽泡温控参数的自整定，并以同样的方式实现对VCSEL控温参数的自整定。如图f图2所示，一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，包括 第一热敏电阻3，用于测量原子蒸汽泡I的温度；
第二热敏电阻4，用于测量VCSEL的温度；
第一波形转换模块，用于将第一热敏电阻3的输出进行整形放大并传送至模数转换器
9 ；
第二波形转换模块，用于将第二热敏电阻4的输出进行整形放大并传送至模数转换器
9 ；
模数转换器9，用于进行模数转换并将转换后的数据传送到微控制器10 ；
微控制器10，用于进行数据采集和PID运算，并根据PID运算结果控制第一开关11和第二开关12的开合，通过RS232接口与上位机19通讯；
第一开关11，通过第一低通滤波器13与加热丝15连接；
第二开关12，通过第二低通滤波器14与TEC16连接；
加热丝15，用于加热原子蒸汽泡I ;和TEC16，用于制冷 VCSEL2。一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，所述的第一波形转换模块包括依次连接的第一惠斯通电桥5和第一仪表放大器7 ;所述的第二波形转换模块包括依次连接的第二惠斯通电桥6和第二仪表放大器8。一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，还包括电平转换模块，用于TTL电平和RS232电平之间的相互转换，以使微控制器和上位机能正常通信；
RS232接口，作为微控制器和上位机之间的通信接口 ；
基于LabVIEW开发平台的上位机，用于实时显示反映原子蒸汽泡和VCSEL温度变化的数据，并对原子蒸汽泡和VCSEL的温控PID参数进行自整定。第一波形转换模块包括依次连接的第一惠斯通电桥5和第一仪表放大器7 ;所述的第二波形转换模块包括依次连接的第二惠斯通电桥6和第二仪表放大器8。本发明装置基于以下原理
被动型CPT原子钟的物理系统为自行研制的，这里只涉及了其中的原子蒸汽泡I和VCSEL2。热敏电阻为NTC(负温度系数)热敏电阻，其具有高灵敏度、响应快的特点，能有效反映温度的变化。第一惠斯通电桥5和第二惠斯通电桥6上的固定电阻采用精度为±0. 02%、温度系数为±5ppm/°C的精密电阻以降低电桥电阻引入的误差并降低热噪声，其中与VCSEL处热敏电阻相连的电桥上的固定电阻阻值为5kQ，与原子蒸汽泡处热敏电阻相连的电桥上的固定电阻阻值为20kQ。仪表放大器采用TI公司的INA333芯片，用来放大电桥的输出信号，其具有高共模抑制比、低噪声、小体积和低功耗等优点。模数转换器采用TI公司的ADS1256芯片。微控制器采用TI公司的MSP430F2619单片机。电平转换芯片采用TI公司的MAX3222芯片。开关采用TI公司的TS5A4624。RS232接口为DB9。基于LabVIEW开发平台的上位机为安装了 NI公司LabVIEW软件的普通计算机。如图I所示第一热敏电阻3和第二热敏电阻4分别位于被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡处I和VCSEL处2,第一热敏电阻3与第一惠斯通电桥5相连,第二热敏电阻4与第二惠斯通电桥6相连,第一惠斯通电桥5与第一仪表放大器7相连,第二惠斯通电桥6与第二仪表放大器8相连,第一仪表放大器7与模数转换器9相连,第二仪表放大器8与模数转换器9相连，模数转换器9与微控制器10的SPI接口相连，微控制器10的I/ 0引脚输出与第一开关11相连，微控制器10的I/O引脚输出与第二开关12相连，第一开关11与第一低通滤波器13相连，第二开关12与第二低通滤波器14相连，第一低通滤波器13与加热丝15相连，第二低通滤波器14与TEC16相连，微控制器10的UART接口与电平转换模块17相连，电平转换模块17与RS232接口 18相连，RS232接口 18与基于LabVIEW开发平台的上位机19相连。其中惠斯通电桥与热敏电阻的具体连接方式如图2所示，热敏电阻与惠斯通电桥一臂相连，惠斯通电桥另外三臂与固定电阻相连。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、采集原子蒸汽泡(I)和VCSEL (2)的温度信息，并转换成对应的数字温度信息传递到微控制器(10); 步骤2、微控制器(10)对原子蒸汽泡(I)和VCSEL (2)的数字温度信息进行滤波处理； 步骤3、计算经过滤波处理后的原子蒸汽泡(I)的数字温度信息与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制加热丝(15)进行加热；计算经过滤波处理后的VCSEL (2)的数字温度信息与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和A-2调制，利用PWM和A-2调制后的结果控制TEC (16)进行制冷; 步骤4、对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定；对VCSEL的温控PID参数值进行自整定。
2.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其特征在于，所述的步骤I包括以下步骤 步骤I. I、将第一热敏电阻(3)设置于原子蒸汽泡(I)处，将第二热敏电阻(4)设置在VCSEL (2)处； 步骤I. 2、将第一热敏电阻(3)采集的信息依次通过第一惠斯通电桥(5)和第一仪表放大器(7)传送到模数转换器(9)进行转换后得到原子蒸汽泡(I)的数字温度信息；将第二热敏电阻(4)采集的信息依次通过第二惠斯通电桥(6)和第二仪表放大器(8)传送到模数转换器(9)进行转换后得到VCSEL (2)的数字温度信息； 步骤I. 3、模数转换器(9)将原子蒸汽泡(I)的数字温度信息和VCSEL (2)的数字温度信息传送到微控制器(10)。
3.根据权利要求2所述的一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其特征在于，所述的步骤2中的滤波处理是基于卡尔曼滤波。
4.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其特征在于，所述的步骤4中的对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤 步骤4. I、基于LabVIEW开发平台的上位机(19)判断能否采集到反映原子蒸汽泡温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤4. 2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定； 步骤4. 2、初始化原子蒸汽泡的温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送原子蒸汽泡PID初始值至微控制器(10)，初始化原子蒸汽泡最优P、I、D值为零值，将原子蒸汽泡P值初始化为原子蒸汽泡P值扫描起点，原子蒸汽泡P值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡P值至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡P值下进行控温； 步骤4. 3、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和； 步骤4. 4、以固定步长增加原子蒸汽泡P值，判断原子蒸汽泡P值是否为原子蒸汽泡P值扫描终点，若是，则将步骤4. 3中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡P值设为原子蒸汽泡最优P值，并将原子蒸汽泡最优P值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值下进行控温，进入步骤4. 5 ;若不是，则将原子蒸汽泡P值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡P值下进行控温并返回步骤4. 3 ； 步骤4. 5、将原子蒸汽泡I值初始化为原子蒸汽泡I值扫描起点，原子蒸汽泡I值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡I值至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温； 步骤4. 6、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和； 步骤4. 7、以固定步长增加原子蒸汽泡I值，判断原子蒸汽泡I值是否为原子蒸汽泡I值扫描终点，若是，则将步骤4. 6中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡I值设为原子蒸汽泡最优I值，并将原子蒸汽泡最优I值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡最优I值下进行控温，进入步骤4. 8 ;若不是，则将原子蒸汽泡I值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值和原子蒸汽泡I值下进行控温并返回步骤4. 6; 步骤4. 8、将原子蒸汽泡D值初始化为原子蒸汽泡D值扫描起点，原子蒸汽泡D值以固定步长增加之后发送原子蒸汽泡D值至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温； 步骤4. 9、对采集到的原子蒸汽泡温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有原子蒸汽泡温度数据与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值的平方和； 步骤4. 10、以固定步长增加原子蒸汽泡D值，判断原子蒸汽泡D值是否为原子蒸汽泡D值扫描终点，若是，则将步骤4. 9中差值的平方和最小时对应的原子蒸汽泡D值设为原子蒸汽泡最优D值，并将原子蒸汽泡最优D值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡最优D值下进行控温，进入步骤4. 11 ;若不是，则将原子蒸汽泡D值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在原子蒸汽泡最优P值、原子蒸汽泡最优I值和原子蒸汽泡D值下进行控温并返回步骤4. 9 ； 步骤4. 11、计算当前原子蒸汽泡的温控最优PID参数值与原子蒸汽泡的温控前最优PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束原子蒸汽泡的温控PID参数值的自整定，否则，返回步骤4. 2。
5.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其特征在于，所述的步骤4中的对VCSEL的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤 步骤5. I、基于LabVIEW开发平台的上位机(19)判断能否采集到反映VCSEL温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤5. 2 ;若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定； 步骤5. 2、初始化VCSEL温控PID参数值的扫描起点和扫描终点，发送PID初始值至微控制器(10)，初始化VCSEL的最优P、I、D值为零值，将VCSEL的P值初始化为VCSEL的P值扫描起点，VCSEL的P值以固定步长增加之后发送VCSEL的P值至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的P值下进行控温； 步骤5. 3、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和； 步骤5. 4、以固定步长增加VCSEL的P值，判断VCSEL的P值是否为VCSEL的P值扫描终点，若是，则将步骤5. 3中差值的平方和最小时对应的VCSEL的P值设为VCSEL的最优P值，并将VCSEL的最优P值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值下进行控温，进入步骤5. 5 ;若不是，则将VCSEL的P值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的P值下进行控温并返回步骤5. 3 ； 步骤5. 5、将VCSEL的I值初始化为VCSEL的I值扫描起点，VCSEL的I值以固定步长增加之后发送VCSEL的I值至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温； 步骤5. 6、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方 和； 步骤5. 7、以固定步长增加VCSEL的I值，判断VCSEL的I值是否为VCSEL的I值扫描终点，若是，则将步骤5. 6中差值的平方和最小时对应的VCSEL的I值设为VCSEL的最优I值，并将VCSEL的最优I值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值和VCSEL的最优I值下进行控温，进入步骤5. 8 ;若不是，则将VCSEL的I值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值和VCSEL的I值下进行控温并返回步骤5. 6 ； 步骤5. 8、将VCSEL的D值初始化为VCSEL的D值扫描起点，VCSEL的D值以固定步长增加之后发送VCSEL的D值至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温； 步骤5. 9、对采集到的VCSEL温度数据进行计数，当计数点数达到计数设定值时，计算计数设定值内的所有VCSEL温度数据与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值的平方和； 步骤5. 10、以固定步长增加VCSEL的D值，判断VCSEL的D值是否为VCSEL的D值扫 描终点，若是，则将步骤5. 9中差值的平方和最小时对应的VCSEL的D值设为VCSEL的最优D值，并将VCSEL的最优D值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的最优D值下进行控温，进入步骤5. 11 ;若不是，则将VCSEL的D值发送至微控制器(10)，微控制器(10)在VCSEL的最优P值、VCSEL的最优I值和VCSEL的D值下进行控温并返回步骤5. 9 ； 步骤5. 11、计算当前VCSEL的最优温控PID参数值与前VCSEL的最优温控PID参数值的差值，若差值小于设定值，则结束VCSEL的温控PID参数值的自整定，否则，返回步骤5. 2。
6.一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，其特征在于，包括 第一热敏电阻(3)，用于测量原子蒸汽泡(I)的温度； 第二热敏电阻(4)，用于测量VCSEL的温度； 第一波形转换模块，用于将第一热敏电阻(3)的输出进行整形放大并传送至模数转换器(9);第二波形转换模块，用于将第二热敏电阻(4)的输出进行整形放大并传送至模数转换器(9);模数转换器(9 )，用于进行模数转换并将转换后的数据传送到微控制器(10 ); 微控制器(10)，用于进行数据采集和PID运算，并根据PID运算结果控制第一开关(11)和第二开关(12)的开合，通过RS232接口与上位机(19)通讯； 第一开关(11)，通过第一低通滤波器(13)与加热丝(15)连接； 第二开关(12)，通过第二低通滤波器(14)与TEC (16)连接； 加热丝(15)，用于加热原子蒸汽泡(I);和 TEC (16)，用于制冷 VCSEL (2)。
7.一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，其特征在于，所述的第一波形转换模块包括依次连接的第一惠斯通电桥(5)和第一仪表放大器(7);所述的第二波形转换模块包括依次连接的第二惠斯通电桥(6)和第二仪表放大器(8)。
全文摘要
本发明公开了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，其步骤是采集原子蒸汽泡和VCSEL的数字温度信息；将经过滤波处理后的数字温度信息与温度设置点所对应的数字量的差值进行PID运算；对PID运算后的结果进行PWM调制和Δ-Σ调制后输出给外围电路进行加热和制冷；对原子蒸汽泡和VCSEL的温控PID参数值进行自整定。还公布了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置。本发明实现了被动型CPT原子钟与上位机之间的全双工通信；可进行温控PID参数的自整定，提高了温控的调节精度；功耗低、精度高。
文档编号G04F5/14GK102799102SQ201210226029
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者田原, 邓威, 程苗瑞, 张奕, 赵劼成, 顾思洪 申请人:华中科技大学