CN103412588A - 一种红外焦平面阵列的温度控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种红外焦平面阵列的温度控制电路，包括温度设定电路、温度电压测量电路、控制电路和驱动电路。温度设定电路10包括可变电阻，通过设定可变电阻的电阻值设定不同的目标温度。温度电压测量电路差分放大可变电阻和红外焦平面阵列内部的负温度系数热敏电阻的正端电压，产生温度电压信号。控制电路根据该温度电压信号产生控制信号，控制驱动电路控制红外焦平面阵列内的热电制冷器的电流。本发明的实施例中能够通过可变电阻灵活改变设定温度，适应不同型号红外焦平面阵列探测器的工作要求，并且电路构成了稳定的闭环系统，通过闭环系统的反馈调节可实现对红外焦平面阵列的快速精确的温度控制。

Description

一种红外焦平面阵列的温度控制电路

技术领域

本发明涉及红外焦平面阵列探测器领域，尤其是涉及一种红外焦平面阵列的温度控制电路。

背景技术

非制冷红外成像系统凭借其价格、可靠性、体积、功耗等方面得天独厚的优势，在各大领域有着巨大的应用潜力。 

热电制冷器（TEC）是利用帕尔贴效应来制冷或加热的半导体P-N结器件。TEC是用两种不同半导体材料（P型和N型）组成的P-N结，当P-N结中有直流电通过时, 由于两种材料中的电子和空穴在跨越P-N结移动过程中的吸热或放热效应（即帕尔帖效应）, 就会使得P-N结表现出制冷或制热的效果,从而改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热, 调节电流大小即可控制制冷量的输出。TEC的组成是将大量的N型和P型半导体结合形成的电偶连接起来形成一个热电堆。当有电流流过时，电堆将会一端吸热一端放热。发热的一端我们称之为“热端”，致冷的一端我们称之为“冷端”。如果把TEC两端的电压反向也会导致相反的热流向，即热端变为冷端，冷端变成热端。

基于微测辐射热计原理的非制冷红外焦平面是通过红外辐射引起热敏像元的温度上升，导致自身阻值变化，改变读出电压值，从而探测目标的温度特性。因此，热敏像元的性能将直接影响非制冷红外焦平面的灵敏度。只有尽量使非制冷红外焦平面阵列所有像元温度保持在均匀、恒定的温度下，才能从根本上提高非制冷红外焦平面的灵敏度，抑制由此引起的工作点漂移。所以红外探测器的稳定工作中，温控电路的设计至关重要。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够灵活改变设定温度从而能够适应不同型号红外焦平面阵列探测器的工作要求的红外焦平面阵列的温度控制电路。

本发明的目的之一是提供一种构成稳定的闭环系统、能够实现对红外焦平面阵列的快速精确的温度控制的红外焦平面阵列的温度控制电路。

本发明实施例公开的技术方案包括：

提供了一种红外焦平面阵列的温度控制电路，其特征在于，包括：

温度设定电路10，所述温度设定电路10包括寄存器102和可变电阻101，所述寄存器102中存储分别与多个不同的目标温度对应的电阻值；所述温度设定电路10用于从所述寄存器102中获取与设定的目标温度对应的电阻值，并使所述可变电阻101的电阻值变成所述与设定的目标温度对应的电阻值；

温度电压测量电路30，所述温度电压测量电路30包括差分放大器301，所述差分放大器301差分放大所述可变电阻101和所述红外焦平面阵列内部的负温度系数热敏电阻501的正端电压，产生温度电压信号；

控制电路20，所述控制电路20包括模数转换器202、PID运算网络模块201和定时器203，所述模数转换器202将所述温度电压信号转换为数字信号，并发送到所述PID运算网络模块201，所述PID运算网络模块201对转换为数字信号的所述温度电压信号进行PID运算，获得PID控制量；所述定时器203根据所述PID控制量生成控制信号；

驱动电路40，所述驱动电路40根据所述控制信号控制所述红外焦平面阵列的热电制冷器的电流。

进一步地，所述温度设定电路10包括接口控制电路103，所述温度设定电路10通过所述接口控制电路103从上位机中接收所述设定的目标温度。

进一步地，所述差分放大器301包括第一输入端3011和第二输入端3012；所述差分放大器301的第一输入端3011连接到所述可变电阻101的第一端1011；所述可变电阻101的第一端1011通过第一电阻R1连接到参考电压VREF，所述可变电阻101的第二端1012接地；所述差分放大器301的第二输入端3012连接到所述负温度系数热敏电阻501的第一端5011；所述负温度系数热敏电阻501的第一端5011通过第二电阻R2连接到所述参考电压VREF，所述负温度系数热敏电阻501的第二端5012接地。

进一步地，所述寄存器102中包括查找表，所述查找表中存储分别与多个不同的目标温度对应的电阻值。

进一步地，所述PID运算网络模块201连接到所述寄存器102，并从所述寄存器102接收用于所述PID运算的比例系数、积分系数和微分系数。

进一步地，所述PID运算网络模块201按照基于小波神经网络的PID算法进行所述PID运算。

进一步地，所述控制信号为脉冲调制信号。

本发明的实施例中，温度设定电路10能够通过可变电阻101灵活改变设定温度，同时能够灵活配置PID网络的参数，从而能够适应不同型号红外焦平面阵列探测器的工作要求，解决了传统设计中的温度设定为常数、电路结构一经设定就无法更改的弊端。

本发明的实施例中，温度电压测量电路30可以实时地比较设定的目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度，控制电路20根据温度电压测量电路30的比较结果产生控制信号，该控制信号使驱动电路40相应地控制红外焦平面阵列内部的集成TEC电流的流向和导通时间，从而控制红外焦平面阵列的温度。这样，本发明实施例的温度控制电路构成了稳定的闭环系统，通过设定模数转换器202的采样时间和闭环系统的反馈调节可实现对红外焦平面阵列的快速精确的温度控制。

附图说明

图1是本发明一个实施例的红外焦平面阵列的温度控制电路的结构示意图。

图2是本发明一个实施例的温度电压测量电路的示意图。

图3是本发明一个实施例的小波神经网络的示意图。

图4是本发明一个实施例的基于小波神经网络PID控制器的结构的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图详细说明本发明的实施例。

如图1所示，本发明的一个实施例中，一种红外焦平面阵列的温度控制电路包括温度设定电路10、控制电路20、温度电压测量电路30和驱动电路40。

本发明的实施例中，温度设定电路10用于设定希望的红外焦平面阵列的温度，本文中称之为目标温度。

一个实施例中，温度设定电路10包括寄存器102和可变电阻101，寄存器102中包括由查找表。寄存器102电连接到可变电阻101，并能够设定可变电阻101的阻值。

本发明的实施例中，可变电阻101可以是数控可变电阻。例如，一个实施例中，可变电阻101可以是ADN2850。

本发明的实施例中，可以通过上位机设定目标温度。该目标温度可以是用户通过上位机设定的，也可以是上位机系统自动设定的。

温度设定电路10电连接到上位机，并从上位机接收设定的目标温度值。本发明的实施例中，温度设定电路10的寄存器102中的查找表中存储了分别与多个不同的目标温度值对应的电阻值。温度设定电路10从上位机接收到目标温度值后，从查找表中查找到与接收到的目标温度值对应的电阻值，并将可变电阻101的电阻值设定为从查找表中找到的与目标温度值对应的电阻值。

例如，温度设定电路10从查找表中查找到二进制码，该二进制码代表着与目标温度值对应的电阻值。然后温度设定电路10将该二进制码发送到可变电阻101。可变电阻101接收该二进制码从而改变其自身的电阻值到期望的值（即该二进制码所代表的电阻值）。

容易理解，温度设定电路10中还可以包括接口控制电路103，温度设定电路10与上位机通过该接口控制电路103进行数据通信。本发明的实施例中，这里的接口控制电路103可以是任何适合的接口控制电路，可以根据实际情况的需要选择任何适合于数据通信的接口控制电路。

温度电压测量电路用于测量目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度之间的差。本发明的实施例中，温度电压测量电路30通过比较可变电阻101和红外焦平面阵列50内部的负温度系数热敏电阻（NTC）501的正端电压差实现对目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度的差的测量。这个电压差反映了设定的目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度之间的差值。

例如，如图2所示，本发明的一个实施例中，温度电压测量电路30包括差分放大器301。差分放大器301包括第一输入端3011和第二输入端3012，其中第一输入端3011连接到温度设定电路10中的可变电阻101的第一端1011。可变电阻101的第一端1011并通过第一电阻R1连接到参考电压VREF，可变电阻101的第二端1012接地。

类似地，差分放大器301的第二输入端3012连接到红外焦平面阵列50内部的负温度系数热敏电阻501的第一端5011。负温度系数热敏电阻501的第一端5011并通过第二电阻R2连接到参考电压VREF，负温度系数热敏电阻501的第二端5012接地。

可见，本发明的实施例中，温度设定电路10中的可变电阻101与红外焦平面阵列50内的负温度系数热敏电阻501并联，并且差分放大器301的两个输入端分别连接到可变电阻101和负温度系数热敏电阻501的正端。这样，差分放大器301即可将可变电阻101和负温度系数热敏电阻501的正端电压差放大，产生的温度电压信号并由其输出端Vo输出。

本发明的实施例中，控制电路20用于根据温度电压测量电路30输出的温度电压信号产生控制信号，该控制信号将被发送到驱动电路40，以控制驱动电路40控制红外焦平面阵列中的TEC电流的流向和导通时间，以实现对红外焦平面阵列的温度控制。

例如，再参见图1，本发明的实施例中，控制电路20包括模数转换器（A/D转换器）201、PID（比例积分微分）运算网络模块201和定时器203。温度电压测量电路30的差分放大器301的输出端Vo连接到模数转换器202，温度电压测量电路30产生的温度电压信号由模数转换器202转换成数字信号，然后发送到PID运算网络模块201。

本发明的实施例中，PID运算网络模块201还连接到温度设定电路10中的寄存器102。该寄存器102中还存储有供PID运算网络模块201的PID运算的比例系数、积分系数和微分系数。寄存器120中预先存储了多组比例系数、积分系数和微分系数，每组比例系数、积分系数和微分系数对应于（或者说适用于）从温度电压测量电路30（或者模数转换器202）接收的温度电压信号的范围区间。其中，这里，每组比例系数、积分系数和微分系数对应的温度电压信号的范围区间可以根据实际情况预先设置并存储。

接收到来自于温度电压测量电路30（或者模数转换器202）的温度电压信号之后，PID运算网络模块201判断当前接收到的温度电压信号属于前述的哪个范围区间，然后从前述的寄存器120中读取与其所属的范围区间对应的那组比例系数、积分系数和微分系数。

PID运算网络模块201使用从寄存器102接收的比例系数、积分系数和微分系数，对由模数转换器202转换成数字信号的温度电压信号进行PID运算，产生PID控制量。该PID控制量发送到定时器203中。定时器203根据接收到的PID控制量生成控制信号。如前文所述，该控制信号将被发送到驱动电路40，以控制驱动电路40控制红外焦平面阵列中的TEC（热电制冷器）电流的流向和导通时间，以实现对红外焦平面阵列的温度控制。

本发明的实施例中，在系统工作过程中，PID参数（即前述的比例系数、积分系数和微分系数）在运算过程中会因为下文中详述的小波神经网络的运算而实时地变化。

本发明的实施例中，定时器203产生的控制信号可以是脉冲调制（PWM）信号。产生脉冲调制信号的具体方法可以使用本领域内常用的方法，在此不再详述。

本发明的实施例中，PID运算网络模块201使用PID算法对模数转换器202输出的温度电压信号进行计算并产生PID控制量。这里，本发明的实施例中，使用的PID算法可以是基于小波神经网络的PID算法，下面进行详细的解释说明。

小波理论的发展提供了各种信号处理如时频分析等统一的分析框架，它不仅可用于突变信号和非平稳信号，而且为处理传统的短时傅里叶变换提供了新的方法。同时小波神经网络（wavelet neutral network, WNN），简称小波网络，也慢慢兴起。它是基于小波分析理论所构建的一种新的神经网络模型。它充分利用小波变换良好的局部化性质，并结合神经网络的自学习功能，因而具有较强的逼近、容错能力，从而使得其具有广泛的应用。

本发明的实施例中，PID运算网络模块201采用的小波神经网络具有三层结构，例如如图3所示。实践中证明含有一个隐含层的三层前馈网络能任意逼近一个分享型映射，则网络输出有以下关系式：

。

式中：输出

；输入；θ_k为隐含层第k个神经元阀值；

为输出层第i个神经元阀值。

网络的隐层神经元可以采用小波函数（例如，可以选用Morlet函数）作为激励函数，即：

。

输出层可以采用Sigmoid函数作为激励函数，即：

。

控制过程中，红外焦平面阵列50内的负温度系数热敏电阻501不断反映探测器实时温度；同时，通过温度设定电路10与上位机进行通信设定可变电阻101的阻值，即设定目标温度。两者经过差分放大器301差分放大后（此时即为前文中的温度电压信号）进入控制电路20中，由控制电路20中的模数转换器202进行模数转换。为了使得转换结果更加精确，可以采取多次转换取平均值的方式，进行了单通道多次转换（例如，32次）后，将转换结果存入寄存器，然后根据该温度电压信号的大小选择合适的PID控制量，并输出该PID控制量，使得系统能够快速稳定的达到预期要求。

本发明的一个实施例中，基于小波神经网络的PID控制器结构的示意图如图4所示。这里，确定该小波神经网络PID控制器结构的主要步骤可以包括：

（1）确定小波神经网络的结构，即确定输入层节点数和隐含层节点数，并给出各层的加权初值

和

，选定学习速率η和关心参数α，并选取k = 1。

（2）采样得到rin（k）和yout（k），计算时刻误差e(k) = rin（k）+ yout（k）。

  （3）计算小波神经网络各层的神经元的输入输出，网络最终的输出即为PID的三个参数。

  （4）实际工作中将根据以下的式子计算PID的输出u（k）。

。

  （5）进行小波神经网络学习，在线调整加权系数和，实现PID控制器的自适应调整。

  （6）令k=k+1，返回步骤（1）。

容易理解，本发明的实施例中，PID运算网络模块201可以通过软件或者硬件或者软件和硬件的结合实现。

控制电路20输出的控制信号（例如，PWM信号）发送到驱动电路40，驱动电路40根据该控制信号控制红外焦平面阵列内部集成的TEC电流的流向和导通时间。

例如，一个实施例中，驱动电路40可以是H桥结构的MOSFET电力驱动电路。

本发明的实施例中，控制电路20输出的控制信号（例如，PWM信号）通过驱动电路40（例如，H桥结构的MOSFET电流驱动电路）控制红外焦平面阵列内部集成的TEC电流的流向和导通时间。当红外焦平面阵列的温度高于基准温度时，驱动电路40就朝TEC制冷的方向输出一定幅值的驱动电流；当红外焦平面阵列的温度降低时，驱动电路40就会减小电流甚至反转电流方向来对红外焦平面阵列加热；当红外焦平面阵列的温度达到基准温度时，驱动电路40就输出微弱电流以保持温度稳定。

本发明的实施例中，模数转换器202、PID运算网络模块201、寄存器102、接口控制电路103和定时器203中的一个或者多个或者全部可以集成在单片机中实现。

本发明的实施例中，温度设定电路10能够通过可变电阻101灵活改变设定温度，同时能够灵活配置PID网络的参数，从而能够适应不同型号红外焦平面阵列探测器的工作要求，解决了传统设计中的温度设定为常数、电路结构一经设定就无法更改的弊端。

本发明的实施例中，温度电压测量电路30可以实时地比较设定的目标温度和红外焦平面阵列的实际工作温度，控制电路20根据温度电压测量电路30的比较结果产生控制信号，该控制信号使驱动电路40相应地控制红外焦平面阵列内部的集成TEC电流的流向和导通时间，从而控制红外焦平面阵列的温度。这样，本发明实施例的温度控制电路构成了稳定的闭环系统，通过设定模数转换器202的采样时间和闭环系统的反馈调节可实现对红外焦平面阵列的快速精确的温度控制。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (7)

1.一种红外焦平面阵列的温度控制电路，其特征在于，包括：

温度设定电路（10），所述温度设定电路（10）包括寄存器（102）和可变电阻（101），所述寄存器（102）中存储分别与多个不同的目标温度对应的电阻值；所述温度设定电路（10）用于从所述寄存器（102）中获取与设定的目标温度对应的电阻值，并使所述可变电阻（101）的电阻值变成所述与设定的目标温度对应的电阻值；

温度电压测量电路（30），所述温度电压测量电路（30）包括差分放大器（301），所述差分放大器（301）差分放大所述可变电阻（101）和所述红外焦平面阵列内部的负温度系数热敏电阻（501）的正端电压，产生温度电压信号；

控制电路（20），所述控制电路（20）包括模数转换器（202）、PID运算网络模块（201）和定时器（203），所述模数转换器（202）将所述温度电压信号转换为数字信号，并发送到所述PID运算网络模块（201），所述PID运算网络模块（201）对转换为数字信号的所述温度电压信号进行PID运算，获得PID控制量；所述定时器（203）根据所述PID控制量生成控制信号；

驱动电路（40），所述驱动电路（40）根据所述控制信号控制所述红外焦平面阵列的热电制冷器的电流。

2.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：所述温度设定电路（10）包括接口控制电路（103），所述温度设定电路（10）通过所述接口控制电路（103）从上位机中接收所述设定的目标温度。

3.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：

所述差分放大器（301）包括第一输入端（3011）和第二输入端（3012）；

所述差分放大器（301）的第一输入端（3011）连接到所述可变电阻（101）的第一端（1011）；

所述可变电阻（101）的第一端（1011）通过第一电阻（R1）连接到参考电压（VREF），所述可变电阻（101）的第二端（1012）接地；

所述差分放大器（301）的第二输入端（3012）连接到所述负温度系数热敏电阻（501）的第一端（5011）；

所述负温度系数热敏电阻（501）的第一端（5011）通过第二电阻（R2）连接到所述参考电压（VREF），所述负温度系数热敏电阻（501）的第二端（5012）接地。

4.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：所述寄存器（102）中包括查找表，所述查找表中存储分别与多个不同的目标温度对应的电阻值。

5.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：所述PID运算网络模块（201）连接到所述寄存器（102），并从所述寄存器（102）接收用于所述PID运算的比例系数、积分系数和微分系数。

6.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：所述PID运算网络模块（201）按照基于小波神经网络的PID算法进行所述PID运算。

7.如权利要求1所述的温度控制电路，其特征在于：所述控制信号为脉冲调制信号。

Images