甲烷是一种易燃易爆高危险性的气体，在自然界分布十分广泛，因此，在煤矿安全、管道检测以及油田开采等领域都需要对甲烷浓度进行高精度的实时监测^[1-4]。传统的检测方法有催化燃烧法、气相色谱法、压电法等，他们都存在危险性高、工作不稳定、寿命短、精度低等缺陷。可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)是一种新型的非接触式气体检测方法，相较于传统气体检测技术，具有高灵敏度、高选择性、速度快等优点，已经成为各国气体检测领域中主要的研究方向^[5-10]。通过高频调制某个依赖于频率的信号，使其扫过待测气体的吸收峰，再以调制频率的倍频做参考信号进行处理。根据Beer-Lambert定律，通过分析进入被测气体前后激光器发出激光的光强，来进一步计算出被测气体的浓度。甲烷气体检测中，激光器的输出波长受温度和注入电流的影响，因此，为了保证检测系统的稳定性和精度，稳定激光器的输出波长，严格控制激光器的注入电流和激光器的温度至关重要^[11-16]。

1 系统方案设计

本设计主要研究TDLAS甲烷气体检测系统的前端驱动部分，包括电流驱动和激光器温度控制。由HITRAN数据库得到甲烷气体的吸收谱线图，甲烷气体在1 653.72 nm处吸收最强，而且在该吸收线附近没有其他气体的吸收线，可以有效地避免交叉干扰，因此，整个系统以标称1 654 nm的分布式反馈激光器(Norcada-Near-IR-DFB-Laser)作为被控对象，电流驱动部分以自主设计的ARM内核STM32 F103RCT6为核心控制器，通过将AD9833发出的高频正弦波和DAC8830发出的低频锯齿波、直流偏执信号叠加，作为压控恒流源的控制信号，实现激光器的电流驱动。温控系统采用抗积分饱和增量式PID算法，SPI通信方式，利用DRV592驱动执行机构半导体制冷器TEC，应用24位高精度Σ-Δ模数转换芯片AD7793采集激光器内部的温度作为闭环系统的反馈分量，实现高精度的温度控制，温度控制精度为±0.008 ℃，达到国内领先水平。系统整体设计如图 1所示。

2 电流驱动

以STM32为主控芯片，控制DDS芯片AD9833产生10 kHz的高频正弦调制波，DAC8830产生10 Hz的低频锯齿波和直流偏置信号，采用LTC1064设计四阶带通滤波器，滤除高频正弦波中的噪声，最后通过加法电路和压控恒流源来实现激光器的电流驱动。

2.1 波形发生

直流偏置与锯齿波：采用芯片DAC8830，其为TI公司生产的16位超低功耗的电压输出数模转换器，具有精确度高、干扰小、噪声低以及稳定速度快等优点，采用SPI方式进行通信，5 V电压供电，电路参考电压为2.5 V，参考电压经10 μF钽电容与0.1 μF陶瓷电容并联后引至DAC8830的VERF引脚，为提高其带载能力，输出端接OPA188构成的电压跟随器。锯齿波产生电路与直流偏置电路基本相同，不做过多说明。

正弦波：采用ADI公司的AD9833波形发生器，它是一款能够产生正弦波、三角波和方波输出的DDS芯片。DDS芯片是从相位概念出发的直接合成所需波形的全数字化频率合成技术芯片，具有成本低、功耗低、分辨率高和转换时间短等优点，无需外接元件，输出频率和相位等可以通过软件编程，易于调节，解耦电容能产生高达12.5 MHz的正弦波，频率寄存器是28位，主频时钟为1 MHz时，精度可以达到0.004 Hz。

正弦波输出频率为

$ {f_{MCLK}}/{2^{28}} \times F。$

F为所选频率控制字，由外部编程给定，相移为

$ 2{\rm{ \mathsf{ π} /4}}\;{\rm{096}} \times P, $

P为所选相位控制字。

2.2 滤波环节

DDS芯片的数字器件非理想不连续特性并因此产生的量化误差和相位误差会使输出波形含有大量噪声。为了消除AD9833产生高频正弦波所含的噪声和直流偏置，在其后级设计中心频率为10 kHz的带通滤波电路，滤除低频和高频噪声，以获得纯净的正弦波。带通滤波电路由Linear公司生产的LTC1064构成。

如图 2所示，本次设计的滤波电路令LTC1064工作在双电源供电条件下，正负电源引脚均采用0.1 μF电容进行去耦，比例选择引脚接地，这样A模块和D模块的中心频率与外部时钟频率比值为1/100。令A模块工作于主模式下的模式1，D模块工作于主模式下的模式3，A、D模块级联构成4阶带通滤波电路，外部时钟由1 MHz的有源晶振提供，通过外部电路电阻的取值，保证四阶带通滤波电路的中心频率为10 kHz。

其中，模式1状态下：

$ \begin{array}{l} \;\;{f_0} = \frac{{{f_{{\rm{clk}}}}}}{{100}} = \frac{{1000K}}{{100}} = 10K, \\ {H_{{\rm{OBP}}}} =-\frac{{{R_{31}}}}{{{R_{35}}}} =-1;Q = \frac{{{R_{31}}}}{{{R_{33}}}} = 1; \end{array} $

模式3状态下：

$ \begin{array}{l} ~~~~~~{f_0} = \frac{{{f_{{\rm{CLK}}}}}}{{100}}\sqrt {\frac{{{R_{34}}}}{{{R_{30}}}}} = 10K, \\ {H_{{\rm{OBP}}}} =-\frac{{{R_{32}}}}{{{R_{36}}}} =-1;Q = \frac{{{R_{32}}}}{{{R_{34}}}}\sqrt {\frac{{{R_{34}}}}{{{R_{30}}}}} = 10 。\end{array} $

2.3 PCB布线

驱动电路对精度要求较高，采用四层板结构，由于驱动电路中使用了较多的A/D和D/A芯片，为了保证参考地完整，电路采用“统一地”，但仍需要保证数字电路部分和模拟电路部分有不同的电流回路。对于使用SPI通信的器件，令其串行时钟走线与数据走线长度尽量保证相等，优先布复位、片选等关键信号线，对各部分按照功能就行分区，模拟电路部分的芯片地引脚的走线采用“Y型”连接至一点，对于高频大功率器件DRV592，将其放置电路边缘，同时为了保证时序完整，减小其与AD7793的距离。

3 温控系统 3.1 电路设计

激光器在工作时会产生大量的热，占总功耗的55%~70%，如果这些热量不能及时地散发，将会影响激光器发出的波长，严重的还可能造成激光器的损坏，因此，必须严格控制激光器的温度。本设计采用以STM32为内核的核心控制器，通过SPI方式与一个24位的高精度模数转换芯片AD7793连接，进一步来读取激光器内部热敏电阻的阻值，实现数字PID反馈控制。通过STM32输出脉宽调制波形到DRV592功率放大器中，从而控制通过TEC电流的方向，以达到制冷或者加热的效果。因两路输出均为高频PWM波，故在两个输出端均需采用高频电感与高频电容构成的低通滤波器进行滤波，高频电感和高频电容采用的型号分别为CDRH104R和ECJ-4YB1C106K。

热电制冷器TEC是利用半导体材料帕尔帖效应制成的。帕尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，一端吸热、一端放热的现象。当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧。为了提高温度控制的精度，热敏电阻选择恒流源的激励方式，采样时刻与PWM开关时刻避开，采用查表法和拉格朗日线性插值相结合来计算热敏电阻的阻值。

3.2 控制算法实现

对于温度这一比较滞后的控制对象，在反馈环节热敏电阻值读取时增加数字滤波，避免偶然出现的脉冲干扰，选用相对较低带宽的控制器，采用增量式数字PID算法，每一次的增量值只与前后两次的采样值有关，与传统PID控制方法相比，大大减小了计算量，加快了系统的响应速度。

离散后的PID方程：

$ {u_k} = {K_{\rm{p}}}\left[{{e_k} + \frac{T}{{{T_i}}}\sum {_{j = 0}^k} {e_j} + {T_{\rm{d}}}\frac{{{e_k}-{e_{k-1}}}}{T}} \right], $

(1)

两次采样之间的增量差值：

$ \begin{array}{l} \Delta {u_k} = {u_k}- {u_{k- 1}}\\ \;\;\;\;\;\; = {K_{\rm{p}}}\left[{{e_k}-{e_{k-1}} + \frac{T}{{{T_i}}}{e_k} + {T_{\rm{d}}}\frac{{{e_k}-2{e_{k - 1}} + {e_{k - 2}}}}{T}} \right]\\ \;\;\;\;\;\; = {K_{\rm{p}}}\left( {1 + \frac{T}{{{T_i}}} + \frac{{{T_{\rm{d}}}}}{T}} \right){e_k} -{K_{\rm{p}}}\left( {1 + \frac{{2{T_{\rm{d}}}}}{T}} \right){e_{k -1}} + {K_{\rm{p}}}\frac{{{T_{\rm{d}}}}}{T}{e_{k -2}} 。\end{array} $

考虑到温度PID控制算法执行时容易出现积分饱和的现象，即PID控制器输出由于积分作用不断加大，导致执行器达到极限位置，此时如果偏差方向不改变则进入积分饱和区，进入饱和区越深，退饱和所需要的时间越长，这段时间将会导致系统失去控制，因此，为了更好地控制温度，延长使用寿命，采用抗积分饱和PID方法。在计算控制量输出u(k)时先判断上一时刻的控制量u(k-1)是否已经超出限制范围，若u(k-1)≥U_max则只累加负偏差，如果u(k-1)≤U_min则只累加正偏差。具体流程如图 3所示。

4 实验结果

如图 4所示，为系统整体实物图。以STM32为核心，将芯片DAC8830、AD9833产生的偏置信号、锯齿信号和正弦信号进行叠加，叠加后的图形如图 5所示。将叠加后的信号作为压控恒流源的控制信号，这样每一个电流信号都对应着特定的电压信号，通过对电压信号的控制便可实现对激光二极管驱动电流的控制，同时使温度稳定在(25±0.008)℃范围内，温度控制曲线如图 6所示。为了更加直观地观察温度的变化和控制效果，使激光器发出中心波长为1 653.72 nm、扫描范围为±0.4 nm的激光，对应在光谱分析仪上显示的波形如图 7所示。在25 ℃时，人为校正偏置信号电路的误差，获得偏置电压对应激光波长的数据如表 1所示。实验得到激光器发出波长为1 653.72 nm激光时的驱动电流为62.05 mA。压控恒流源实验及激光器波长与电压实验数据如表 1和表 2所示。

5 结语

基于TDLAS原理，以标定波长为1 654 nm的分布式反馈激光器(Norcada-Near-IR-DFB-Laser)作为光源，自主设计的为STM32F103RCT6为核心的处理器，结合芯片DAC8830、AD9833构成驱动信号，经压控恒流源转换后作为激光器的注入电流。另外采用抗积分饱和PID控制算法与数字滤波结合，利用大功率DRV592驱动热电制冷器TEC，使激光器温度稳定在25 ℃附近。电流驱动板和温度控制板在设计时充分考虑抗干扰性、信号的回流路径，减小信号的回路面积，系统采用统一的“地平面”各部分按功能分区，为电源提供参考平面，并进行分割。经过实验验证，系统可以长时间稳定工作，抗干扰能力强，当驱动电流为62.05 mA时，激光器发出波长为1 653.72 nm，温度控制精度为±0.008 ℃，波长控制精度误差达到千分位，充分满足设计要求。其突出优点为功耗小，仅为10W，分辨率高，具有一定的通用性，调节激光器的波长可以对不同气体进行检测。