CN115268258A

CN115268258A - 一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质

Info

Publication number: CN115268258A
Application number: CN202211042975.1A
Authority: CN
Inventors: 姜海明; 张康; 凌雨; 谢康
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2022-08-29
Filing date: 2022-08-29
Publication date: 2022-11-01

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，提供了一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质，其中方法包括：通过获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值，计算实时温度值与预设温度值的差值，得到第一温差值，并获取第二偏差值和第一历史时刻对应的第二温差值，并计算第一温差值和第二温差值的差值，得到第一偏差值，并根据第一温差值、第一偏差值、第二偏差值确定实时温度值对应的温控策略，输出与温控策略对应的温度控制量，从而对半导体激光器的温度进行更加精细化的控制，使半导体激光器的温度更加稳定地维持在预设温度值左右，改善了现有技术的温控效果，提升了半导体激光器的温度稳定性，更加适用于频繁切换功率的半导体激光器。

Description

一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质。

背景技术

半导体激光器又称为激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器因具备波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产、体积小、重量轻、寿命长的优点，已经成为当代通信技术的主流应用器件，尤其是在光纤通信、光信息处理、泵浦固体激光器、激光打印等方面有着极为广泛的应用。

半导体激光器的导体激光器的发光功率和发光波长与其核心发光器件(LD激光二极管)的运行状态密切相关。LD激光二极管在将电能转换为光能的过程中，有一部分能量以热量的形式损耗掉，这会使得LD激光二极管的温度快速上升，超出其正常工作温度范围，从而影响半导体激光器的发光功率、输出波长、使用寿命等，因此，必须严格控制LD激光二极管的工作温度，保证其处于正常的工作范围。

半导体激光器内部一般封装有热敏电阻和TEC制冷器，用于监测其工作温度和用于对LD激光二极管降温。目前的半导体激光器温度控制系统大多采用传统PID控制算法对其温度进行控制，但由于传统的PID算法存在输出变化慢、调节速度慢等问题，当半导体激光器从输出低功率切换到输出较高功率，或从输出高功率降低为输出低功率时，传统PID算法的控制切换时间较长，难以及时地将半导体激光器的温度控制在设定的温度值的稳定范围内。

发明内容

本发明提供了一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质，用于改善半导体激光器的温控效果，提升半导体激光器的温度稳定性。

本发明提供的一种半导体激光器温度控制方法，包括：

获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值；

计算所述实时温度值与预设温度值的差值，得到第一温差值；

获取第二偏差值和第一历史时刻对应的第二温差值；所述第二偏差值为所述第二温差值与第二历史时刻对应的温差值之间的差值；

计算所述第一温差值和所述第二温差值的差值，得到第一偏差值；

根据所述第一温差值、所述第一偏差值、所述第二偏差值确定所述实时温度值对应的温控策略；

输出与所述温控策略对应的温度控制量。

可选地，所述根据所述第一温差值、所述第一偏差值、所述第二偏差值确定所述实时温度值对应的温控策略，包括：

判断所述第一温差值的绝对值是否大于预设的第一温差阈值；

若是，则判断所述第一温差值是否大于0；

当所述第一温差值大于0，启动最大制冷功率调节策略；

当所述第一温差值小于或等于0时，启动最大制热功率调节策略。

可选地，所述判断所述第一温差值的绝对值是否大于预设的第一温差阈值，包括：

若否，将所述第一温差值和所述第一偏差值的乘积作为第一偏差乘积；

当所述第一偏差乘积大于0或者所述第一偏差值等于0时，判断所述第一温差值的绝对值是否大于预设的第二温差阈值，若是，则启动第一温控策略；否则，启动第二温控策略。

可选地，所述方法还包括：

将所述第一温差值和所述第二偏差值的乘积作为第二偏差乘积；

当所述第一偏差乘积小于0且所述第二偏差乘积大于0，或者，当所述第一温差值等于0时，保持当前输出的温度控制量不变。

可选地，所述方法还包括：

当所述第一偏差乘积小于0且所述第二偏差乘积小于0时，判断所述第一温差值的绝对值是否大于所述第二温差阈值，若是，则启动第三温控策略；否则启动第四温控策略。

判断所述第一温差值的绝对值是否小于预设的第三温差阈值，若是，则启动第二温控策略。

可选地，所述输出所述温控策略对应的温度控制量之后，所述方法还包括：

迭代所述获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值至所述输出所述温控策略对应的温度控制量的步骤。本发明还提供了一种半导体激光器温度控制系统，所述系统包括：温度采样控制电路、基准电压源电路、AD转换电路、DA输出电路、MCU控制器；

所述温度采样控制电路分别与所述半导体激光器、所述AD转换电路连接，用于采集所述半导体激光器的温度数据，并将所述温度数据传输至所述AD转换电路；

所述AD转换电路，与所述MCU控制器连接，用于将接收到的所述温度数据进行模数转换，并将转换后的温度数据传输至所述MCU控制器；

所述MCU控制器与所述DA输出电路连接，用于执行如权利要求1-6任一项所述的方法，输出温度控制量，并将所述温度控制量传输至所述DA输出电路；

所述DA输出电路与所述温度采样控制电路连接，用于接收所述温度控制量，并将所述温度控制量进行数模转换，将转换后的温度控制量输出至所述温度采样控制电路；

所述温度采样控制电路还用于接收所述转换后的温度控制量，根据所述温度控制量输出对应的控制电压至所述半导体激光器，使所半导体激光器的温度值维持在预设温度值；

所述基准电压源电路分别与所述DA输出电路、所述温度采样控制电路连接，用于提供基准电压。

本发明还提供了一种电子设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上所述的方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上的方法。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本实施例提供了一种半导体激光器温度控制方法，通过获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值，计算实时温度值与预设温度值的差值，得到第一温差值，并获取第二偏差值和第一历史时刻对应的第二温差值，并计算第一温差值和第二温差值的差值，得到第一偏差值，并根据第一温差值、第一偏差值、第二偏差值确定实时温度值对应的温控策略，输出与温控策略对应的温度控制量，从而对半导体激光器的温度进行更加精细化的控制，使半导体激光器的温度更加稳定地维持在预设温度值左右，改善了现有技术的温控效果，提升了半导体激光器的温度稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种半导体激光器温度控制方法流程示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种半导体激光器温度控制方法流程示意图；

图3为半导体激光器的输出电流变化曲线图；

图4为半导体激光器的温度变化曲线图；

图5为本发明实施例三提供的一种半导体激光器温度控制系统结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的温度采样控制电路结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的基准电压源电路结构示意图；

图8为本发明实施例三提供的AD转换电路结构示意图；

图9为本发明实施例三提供的DA输出电路结构示意图。

具体实施方式

当半导体激光器从输出低功率切换到输出较高功率，或从输出高功率降低为输出低功率时，传统PID算法的控制切换时间较长，难以及时地将半导体激光器的温度控制器控制在设定的温度值，并且难以稳定地维持，尤其是对于需要频繁切换半导体激光器功率的场景(如通过切换半导体激光器的功率测试光纤性能)时，功率切换频繁会影响半导体激光器的温度的稳定性，当温度出现较大的波动时，会影响半导体激光器的工作效果。

本发明实施例提供了一种半导体激光器温度控制方法、系统、设备及介质，用于改善半导体激光器的温控效果，提升半导体激光器的温度稳定性。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例一提供的一种半导体激光器温度控制方法流程示意图。

本实施例一提供的一种半导体激光器温度控制方法，包括：

101、获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值。

需要说明的是，获取当前时刻k对应的半导体激光器中的NTC的实时温度值。

102、计算实时温度值与预设温度值的差值，得到第一温差值。

预设温度值为半导体激光器最佳工作状态所对应的温度值。当半导体激光器处于预设温度值时，工作效果最佳。因此本实施例中的预设温度值可以根据半导体激光器的实际工作情况进行设定。

在本实施例中，计算得到的第一温差值可以表示为e(k)。

103、获取第二偏差值和第一历史时刻对应的第二温差值；第二偏差值为第二温差值与第二历史时刻对应的温差值之间的差值。

第一历史时刻对应的第二温差值，是指第一历史时刻采集得到的温度值与预设温度值之间的差值。第一历史时刻采集得到的温度值，是指当前时刻的前一个时刻采集得到的温度值。假设第一历史时刻采集得到的温度值为T(k-1)，则有：第二温差值e(k-1)＝T(k-1)-X。其中X为预设温度值。

同理，第二历史时刻对应的温差值，是指第二历史时刻采集得到的温度值与预设温度值之间的差值。第二历史时刻采集得到的温度值，是指第一历史时刻的前一个时刻采集得到的温度值。第二历史时刻对应的温差值e(k-2)＝＝T(k-2)-X。T(k-2)为第二历史时刻采集得到的温度值。因此，第二偏差值Δe(k-1)＝e(k-1)-e(k-2)。

可以理解的是，按照从前到后的时间顺序关系，当前时刻、第一历史时刻和第二历史时刻的顺序依次为：第二历史时刻、第一历史时刻、当前时刻。

需要说明的是，第一历史时刻和第二历史时刻所采集的数据均会在采集之后，立即进行差值计算，并存储于数据库中，因此，在当前时刻可以直接调用第一历史时刻和第二历史时刻对应的第二温差值和第二偏差值。若当前时刻为系统开机的时刻时，则以上一次关机的关机时刻为基准，获取关机时刻的前两个连续的时刻作为第一历史时刻和第二历史时刻。

在另一个优选的实施例中，也可以获取第一历史时刻和第二历史时刻对应的温度值，实时进行差值计算，得到对应的第二温差值、第三温差值、第二偏差值。

104、计算第一温差值和第二温差值的差值，得到第一偏差值。

计算第一温差值e(k)和第二温差值e(k-1)的差值，得到第一偏差值Δe(k)。因此，第一偏差值Δe(k)＝e(k)-e(k-1)。

在本实施例中，第一偏差值用于表征第一历史时刻与当前时刻之间温度的变化趋势。第二偏差值用于表征第二历史时刻与第一历史时刻之间的温度变化趋势。

105、根据第一温差值、第一偏差值、第二偏差值确定实时温度值对应的温控策略；

根据第一温差值可以确定当前温度与预设温度值的差距，根据第一偏差值与第二偏差值可以了解当前温度的变化趋势，根据第一温差值、第二偏差值、第三偏差值可以确定当前半导体激光器当前的温差情况以及温度变化趋势，确定最适合当前实时温度的温控策略，以便将当前实时温度稳定地控制在预设温度值左右，从而提高半导体激光器温度的稳定性，避免半导体激光器的温度受到功率频繁切换的影响而产生较大的波动，影响半导体激光器的工作效果。

具体地，将第一温差值与三种不同的温度层级对应的温度阈值进行比较，通过比较结果确定第一温差值所处的温度层级，每一层对应的温度层级中都具备不同的温控策略，再根据已确定好的温度层级选择相应的温控策略，进行精细化地温度控制，从而将半导体激光器的温度稳定地控制在预设温度值左右。

其中，温度控制策略包括最大制冷功率调节策略、最大制热功率调节策略、第一温控策略、第二温控策略、第三温控策略、第四温控策略。

最大制冷功率调节策略是指使半导体激光器的TEC以最大制冷功率运行。最大制热功率调节策略是指使半导体激光器的TEC以最大制热功率运行。

第一温控策略是指使用比例控制的PID控制方法，或者积分分离的PID控制方法，或者输出放大的PID控制方法，以输出较大的温度控制量。第一温控策略输出的温度控制量小于最大制冷(或热)功率调节策略的输出。在本实施例中，第一温控策略优选为输出放大的PID控制方法。

第二温控策略是指采用现有PID调节，不额外采用其他的控制算法调节PID的输出。

第三温控策略是采用小比例控制的PID控制方法，或者大积分累积的PID控制方法。在本实施例中，第三温控策略优选为小比例控制的PID控制方法。

第四温控策略是指采用小比例控制的PID控制方法，同时对其输出进行限幅调整和比例缩放。

106、输出与温控策略对应的温度控制量。

根据温控策略输出相应的温度控制量，从而控制半导体激光器TEC进行制冷或制热。其中，温度控制量可以是控制电压。

可以理解的是，当应用至实际的硬件环境时，可以通过MCU控制器执行温控策略，并根据温控策略输出对应的温度控制量至温度采样控制电路，温度采样控制电路可以根据温度控制量输出对应的PWM信号至半导体激光器，从而驱动半导体激光器的TEC进行制冷或制热。

本实施例提供了一种半导体激光器温度控制方法，通过获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值；计算实时温度值与预设温度值的差值，得到第一温差值；获取第二偏差值和第一历史时刻对应的第二温差值；第二偏差值为第二温差值与第二历史时刻对应的温差值之间的差值。计算第一温差值和第二温差值的差值，得到第一偏差值；并根据第一温差值、第一偏差值、第二偏差值确定实时温度值对应的温控策略；输出与温控策略对应的温度控制量，从而对半导体激光器的温度进行更加精细化的控制，使半导体激光器的温度更加稳定地维持在预设温度值左右，改善了现有技术的温控效果，提升了半导体激光器的温度稳定性，解决了当半导体激光器从输出低功率切换到输出较高功率，或从输出高功率降低为输出低功率时，传统PID算法的控制切换时间较长，难以及时将半导体激光器的温度稳定在设定的温度值的技术问题，尤其是对于需要频繁切换半导体激光器功率的场景(如通过切换半导体激光器的功率测试光纤性能)时，使用本实施例提供的方法，能够更加精细地调节半导体激光器的温度，更加及时地稳定半导体激光器的温度在设定的温度值的范围内，使得半导体激光器能够更好地进行如测试光纤性能的的测试工作，得到更好的测试效果。

请参阅图2，图2为本发明实施例二提供的一种半导体激光器温度控制方法流程示意图，本实施例二在包含实施例一的基础上，对步骤105进行进一步地限定，其中，方法包括：

201、判断第一温差值的绝对值是否大于预设的第一温差阈值；

202、若是，则判断第一温差值是否大于0；当第一温差值大于0，启动最大制冷功率调节策略；当第一温差值小于或等于0时，启动最大制热功率调节策略。

当第一温差值的绝对值大于第一温差阈值时，说明当前温度已经远远偏离设定温度，并且已经达到最大偏离误差限度，此时需要加大温度调控的力度，启动最大制冷功率调节或者启动最大制热功率调节。当第一温差值大于0时，说明当前温度远远高于设定温度，需要启动最大制冷功率进行快速降温。当第一温差值小于0时，说明当前温度远远低于设定温度值，需要启动最大制热功率进行温度调节，实现快速升温。最大制冷功率调节策略是指使半导体激光器的TEC以最大制冷功率运行。最大制热功率调节策略是指使半导体激光器的TEC以最大制热功率运行。

203、若否，将第一温差值和第一偏差值的乘积作为第一偏差乘积；当第一偏差乘积大于0或者第一偏差值等于0时，判断第一温差值的绝对值是否大于预设的第二温差阈值，若是，则启动第一温控策略；否则，启动第二温控策略。

当第一温差值的绝对值小于或等于第一温差阈值时，说明当前实时温度与设定温度存在较大的差距，但未超出最大偏离误差限度，可归类为中间层级的温度调控，此时，通过计算第一温差值和第一偏差值的可以结合第一偏差乘积进一步细分当前实时温度的情况。

得到第一偏差乘积之后，判断第一偏差乘积是否大于0或判断第一偏差值是否等于0。当第一偏差乘积大于0时，存在两种情况：1、e(k)>0、Δe(k)>0。此时说明当前实时温度高于设定温度值，且当前时刻的第一温差值大于第一历史时刻的第二温差值，说明当前温度变化趋势是朝着扩大当前温度与设定温度的差距的方向发展；2、e(k)<0、Δe(k)<0。此时说明当前实时温度低于设定温度值，且第一温差值为负数，第一温差值小于第二温差值，说明当前温度变化的趋势也是朝着扩大当前温度与预设温度的差距的方向发展。当第一偏差值等于0时，说明当前时刻的第一温差值e(k)等于第一历史时刻的第二温差值e(k-1)，则表明当前温度与预设温度之间持续存在相同的差距。

因此，在本实施例中，当判定第一偏差乘积大于0或者第一偏差值等于0时，通过继续判断第一温差值的绝对值是否大于第二温差值阈值，进一步细分当前温度的情况，从而选择更为合适和稳定的温控策略。当第一温差值的绝对值大于第二温差阈值时，说明当前实时温度的第一温差值较大，此时，采用第一温控策略，用于扭转当前温度的变化趋势，使其朝着缩小与预设温度的差距的方向发展，并迅速减小当前温度的温差的绝对值。其中，第一温控策略的输出小于最大制冷功率调节策略的输出。第一温控策略是指使用比例控制的PID控制方法，或者积分分离的PID控制方法，或者输出放大的PID控制方法，使PID控制输出较大的温度控制量，从而使TEC输出对应的功率，尽快地将温度值调节到预设温度值范围内。在本实施例中，第一温控策略优选为输出放大的PID控制方法。

在本实施例中，第一温控策略的公式可以如下所示：

U(k)＝k1{kp[e(k)-e(k-1)]+ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}；

其中，U(k)为某时刻的输出的温度控制量，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，k1为放大系数。

可以理解的是kp、ki、kd、k1的具体参数值均为预先设定的固定值。

当第一温差值的绝对值小于或等于第二温差阈值时，说明当前实时温度与预设温度值的差距较小，但当前温度与预设温度的温差变化趋势仍是朝着变大的方向发展，本实施例通过采用比第一温控策略调节力度略低的第二温控策略，调整温差变化趋势。以便将当前温度值调整至预设温度值，并且使当前温度可以稳定维持于预设温度值。第二温控策略的输出小于第一温控策略的输出。第二温控策略指的是采用现有PID调节，不采用其他的控制算法调节PID的输出。

第二温控策略对应的公式可以如下所示：

U(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]。

204、将第一温差值和第二偏差值的乘积作为第二偏差乘积；

205、当第一偏差乘积小于0且第二偏差乘积大于0，或者，当第一温差值等于0时，保持当前输出的温度控制量不变。

当第一偏差乘积小于0且第二偏差乘积大于0，此时对应存在两种情况：1、e(k)>0、Δe(k)<0、Δe(k-1)>0，说明当前实时温度大于预设温度值，当前时刻的第一温差值e(k)小于第一历史时刻的第二温差值e(k-1)，第一历史时刻的第二温差值e(k-1)大于第二历史时刻的温差值e(k-2)，则表明温差的变化趋势是从变大转为变小；2、e(k)<0、Δe(k)>0、Δe(k-1)<0，说明当前实时温度是小于预设温度值，第一温差值为负数，当前时刻的第一温差值e(k)大于第一历史时刻的第二温差值e(k-1)，第一历史时刻的第二温差值e(k-1)小于第二历史时刻的温差值e(k-2)，表明温差的变化趋势也是从变大转为变小。当第一温差值等于0时，说明当前实时温度值等于预设温度值。

本实施例中，当第一偏差乘积小于0且第二偏差乘积大于0，或者，当判定第一温差值等于0，说明当前温差变化趋势从变大转为变小，实时温度正朝着缩小与预设温度值的差距的方向变化，或者，当前实时温度已经达到预设温度值，此时只需保持当前输出的温度控制量即可，以便使实时温度稳定维持在预设温度值范围内。

206、当第一偏差乘积小于0且第二偏差乘积小于0时，判断第一温差值的绝对值是否大于第二温差阈值，若是，则启动第三温控策略；否则启动第四温控策略。

当第一偏差乘积小于0且第二偏差乘积小于0，存在以下情况：1、e(k)>0、Δe(k)<0、Δe(k-1)<0，说明当前实时温度大于预设温度值，当前时刻的第一温差值e(k)小于第一历史时刻的第二温差值e(k-1)，第一历史时刻的第二温差值e(k-1)小于第二历史时刻的温差值e(k-2)，表明温差朝着变小的方向发展，即温度变化的趋势朝着缩小与预设温度值的差距的方向变化，实时温度愈发接近预设温度值；2、e(k)<0、Δe(k)>0、Δe(k-1)>0，实时温度低于预设温度值，第一温差值为负数，当前时刻的第一温差值e(k)大于第一历史时刻的第二温差值e(k-1)，第一历史时刻的第二温差值e(k-1)大于第二历史时刻的温差值e(k-2)，表明温差趋向于0的方向变化，实时温度愈发接近预设温度值。这两种情况都表明当前温度的温差情况处于极值状态或者处于极值领域内，此时，通过比较第一温差值的绝对值与第二温差阈值，当第一温差值的绝对值大于第二温差阈值时，则启动第三温控策略，从而将温度控制在预设温度值的相对小的数值范围内，使温度更接近预设温度值。

第三温控策略对应的公式可以如下所示：

U(k)＝k2*kp[e(k)-e(k-1)]+k3*ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

其中，k2为调节比例输出的第一系数，k3为调节积分输出的系数。

可以理解的是，k2、k3为预先设定的固定值，具体的参数值可根据实际进行调整，例如k2为0或者k3为0。k2，k3也可以设置为正数或负数。

当第一温差值的绝对值小于或等于第二温差阈值时，则启动第四温控策略进而调整TEC的输出功率，使温度处于预设温度值的更小范围内。

第四温控策略对应的公式可以如下所示：

U(k)＝k4{k5*kp[e(k)-e(k-1)]+ki*e(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}；

其中，k4为幅度调整系数，k5调节比例控制的第二系数。

可以理解的是，k4、k5为预先设定的固定值。其中，k4的取值满足：0<k4<1。

207、判断第一温差值的绝对值是否小于预设的第三温差阈值，若是，则启动第二温控策略。

需要说明的是，当第一温差值e(k)的绝对值小于第三温差阈值时，表示当前温度已非常接近设定温度值，仅需启用二温控策略调节即可。

在本实施例中，根据第一温差值、第一温差值的绝对值、第一偏差乘积和第二偏差乘积确定当前温度的温度状态和变化趋势，并确定不同的温度状态和变化趋势对应的温度层级，从而确定采用对应的温控策略，以将当前温度调整至预设温度值，并稳定地维持于预设温度值。

在另一个实施例中，输出温控策略对应的温度控制量之后，还包括：

迭代获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值至输出温控策略对应的温度控制量的步骤。

在本次输出温度控制量之后，将e(k-1)的值赋给e(k-2)，e(k)的值赋给e(k-1)，Δe(k)的值赋给Δe(k-1)，而e(k)用来记录下一次时刻新的温差值，Δe(k)用来记录下一次新的偏差值，以此迭代。

在另一个优选的实施例中，第一温控策略还可以采用由以下公式构成的方法：

U(k)＝kp{e(k)-e(k-1)}。

U(k)＝kp[e(k)-e(k-1)]+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]。

在另一个优选的实施例中，kp、ki、kd的取值优选为0.12、0.04、0.01。

在另一个优选的实施例中，k1的取值范围优选为1.2～1.285。

在另一个优选的实施例中，k2的取值范围优选为0.76～0.82，k3取值优选为0。

在另一个优选的实施例中，k2的取值范围优选为0.76～0.82，k3取值优选为1.1。

在另一个优选的实施例中，k5的取值优选为0.8。

在一个应用例中，本实施例提供的温控策略的判定可参考表1。

表1温控策略

表1中，Emax、Emind、Emin分别为第一温差阈值、第二温差阈值、第三温差阈值，其大小关系为：Emax＞Emind＞Emin。

在本应用例中，MCU控制器根据上述实时温度的不同状态，执行对应的温控策略，并输出对应的温度控制量至温度采样控制电路的ADN8834芯片，ADN8834芯片根据接收到的温度控制量输出对应的PWM电压信号至半导体激光器，驱动半导激光器的TEC进行制冷或制热。

可以理解的是，不同的温控策略对应输出不同的控制电压，即传输至ADN8834的控制电压不一样。假设控制电压的范围为0-3V，平衡电压为1.5V，平衡电压指输出该电压时系统的温度稳定，不需要制冷，也不需要制热，则当执行最大制冷功率策略时，输出3V电压至ADN8834芯片，当执行最大制热功率策略时，输出0V电压至ADN8834芯片。而当温度误差越大，需要越快速输出与平衡电压差值大的电压，其步距电压就越大，而当温度误差越小，则需输出的电压就越贴近平衡电压，其步距电压越小。步距电压指的是输出的电压与平衡电压的差值。

本实施例提供的一种半导体激光器温度控制方法，通过实时获取当前温度值，确定实时温度的状态和趋势，采用与当前实时温度状态和趋势相匹配的温控策略，实现精细化的温度控制，使半导体激光器的实时温度能够更稳定地维持于预设温度值范围内，尤其是当应用于频繁切换功率的半导体激光器，本实施例提供的方法，能够及时将频繁变化的实时温度控制在预设温度值范围内，使半导体激光器获得最佳的工作状态。

在另一个应用例中，为了进一步说明本实施例所取得的技术效果，以下将结合仿真试验结果进行说明。

请参阅图3-4，图3为半导体激光器的输出电流变化曲线图；图4为半导体激光器的温度变化曲线图。

假设将初始状态半导体激光器的预设温度值为25℃，分别对半导体激光器进行三次输出电流切换，第一次，从0mA切换至500mA时，系统控制温度稳定至预设温度值的时间约为20s；第二次，从500mA切换至700mA时，系统控温时间约为38s；第三次，从700mA切换至920mA时，系统控温时间约为45s，且根据图4可以看出，系统超调量较小，总体维持在预设温度值的误差范围内。

请参阅图5-9，图5为本发明实施例三提供的一种半导体激光器温度控制系统结构示意图。图6为本发明实施例三提供的温度采样控制电路结构示意图；图7为本发明实施例三提供的基准电压源电路结构示意图；图8为本发明实施例三提供的AD转换电路结构示意图；图9为本发明实施例三提供的DA输出电路结构示意图。

本实施例三提供了一种半导体激光器温度控制系统，包括：温度采样控制电路301、基准电压源电路302、AD转换电路303、DA输出电路304、MCU控制器305；

温度采样控制电路301分别与半导体激光器、AD转换电路303连接，用于采集半导体激光器的温度数据，并将温度数据传输至AD转换电路303；

AD转换电路303，与MCU控制器305连接，用于将接收到的温度数据进行模数转换，并将转换后的温度数据传输至MCU控制器305；

MCU控制器305与DA输出电路304连接，用于执行上述实施例一或实施例二的方法，输出温度控制量，并将温度控制量传输至DA输出电路304；

DA输出电路304与温度采样控制电路301连接，用于接收温度控制量，并将温度控制量进行数模转换，将转换后的温度控制量输出至温度采样控制电路301；

温度采样控制电路301还用于接收转换后的温度控制量，根据温度控制量输出对应的控制电压至半导体激光器，使所半导体激光器的温度值维持在预设温度值；

基准电压源电路302分别与DA输出电路304、温度采样控制电路301连接，用于提供基准电压。

在一个具体的实施例中，温度采样控制电路301的ADN8834芯片内部集成了采样运算放大器、MOS管控制器等。温度采样控制电路301用于对半导体激光器内部的NTC电阻的温度电压进行采样，以及驱动半导体激光器的TEC进行制冷和制热。

参阅图6，ADN8834芯片中1-25引脚连接关系如下所示：

第1引脚IN2N与第2引脚OUT2连接；第3VLIM/SD引脚分别连接第二电阻R2和第六电阻R6，第二电阻R2和第六电阻R6串联，第二电阻R2的一端分别与第一电阻R1的一端、基准电压源电路302的REF5025芯片的基准电压输出端VREF连接，第一电阻R1与第五电阻R5串联，第五电阻R5的另一端分别连接地AGND和第一电容C1。第4引脚ILIM分别连接第一电阻R1和第五电阻R5；第5引脚VDD分别连接第十电阻R10和第一电容C1；第十电阻R10连接5V电源；第6引脚VREF连接REF5025芯片的基准电压输出端VREF；第7引脚AGND连接地AGND；第8引脚EN/SY连接5V电源；第9引脚VTEC连接AD转换电路303中LTC1859芯片的CH1引脚；第10引脚SFB连接半导体激光器的TEC-引脚；第11引脚ITEC连接AD转换电路303中LTC1859芯片的CH2引脚第12引脚PGNDS接地GND；第13引脚PGNDS接地，并且连接第五电容C5，第五电容C5连接5V电源；第14引脚SW连接第一电感，第一电感分别连接第六电容C6和半导体激光器的TEC-引脚；第六电容C6接地；第15引脚PVINS连接5V电源；第16引脚PVINL连接5V电源；第17引脚LDR分别连接半导体激光器的TEC+引脚、第二电容C2；第二电容C2接地；第18引脚PGNDL接地GND；第19引脚PGNDL连接第18引脚PGNDL，并且连接第三电容C3，第三电容C3连接5V电源；第20引脚TMPGD置空；第21引脚OUT1分别连接AD转换电路303中LTC1859芯片的CH0，以及第九电阻R9，第九电阻R9分别连接第七电阻R7和第八电阻R8。第22引脚IN1N分别连接第七电阻R7和第八电阻R8，第七电阻R7和第八电阻R8串联；第八电阻R8的一端连接半导体激光器的热敏电阻NTC；第七电阻R7的一端分别与第三电阻R3和REF5025芯片的基准电压输出端VREF连接，第三电阻R3与第四电阻R4串联，第四电阻R4的一端接地；第23引脚IN1P分别连接第三电阻R3和第四电阻R4；第24引脚IN2P连接至DA输出电路304中LTC2600芯片的VOUTA引脚；第25引脚EP接地。

其中，ADN8834芯片的IN1N引脚通过分压电阻连接激光器中的NTC电阻，IN1N引脚用于采集激光器的温度电压，该电压则可用于反馈当前半导体激光器的温度值。

ADN8834芯片的OUT1引脚、VTEC引脚、ITEC引脚用于将采集到的NTC电阻的电压信号传输至AD转换电路303。

ADN8834芯片的IN2P引脚连接至DA输出电路304中LTC2600芯片的VOUTA引脚，用于接收经过DA输出电路304转换之后的温度控制量。

ADN8834芯片的LDR、SW引脚与SFB引脚分别连接至半导体激光器的TEC+、TEC-引脚，用于根据温度控制量输出对应的控制电压至半导体激光器的TEC+、TEC-引脚，控制半导体激光器的温度。

在一个具体的实施例中，基准电压源电路302包括REF5025芯片，REF5025芯片的VREF引脚分别与ADN8834芯片的VREF引脚、DA输出电路304的REF引脚连接。REF5025芯片的VREF引脚输出2.5V基准电压，

具体如图7所示，REF5025芯片中的1-8引脚的连接关系如下：

第1引脚DNC置空；第2引脚VIN分别连接5V电源和第二十七电容C27，第二十七电容C27接地；第3引脚TEMP置空；第4引脚GND接地；第5引脚TRIM/NR置空；第6引脚VOUT为2.5V基准电压输出端VREF，与第二十八电容C28连接，第二十八电容C28接地；第7引脚NC置空；第8引脚DNC置空。

在一个具体的实施例中，AD转换电路303包括LTC1859芯片，其中，LTC1859芯片为16位高精度AD转换芯片，用于将NTC电压的模拟信号转换成数字信号，并将转换之后的电压传输至MCU控制器305。

具体如图8所示，LTC1859芯片的1-28引脚的连接关系如下所示：

第1引脚COM接地；第2引脚CH0连接ADN8834芯片的OUT1引脚；第3引脚CH1连接ADN8834芯片的VTEC引脚；第4引脚CH2连接ADN8834芯片的ITEC引脚；第5引脚CH3置空；第6引脚CH4置空；第7引脚CH5置空；第8引脚CH6置空；第9引脚CH7置空；第10引脚MOUXOUT+连接第12引脚ADC+；第11引脚MOUXOUT-连接第13引脚ADC-；第14引脚AGND1连接地AGND1；第15引脚VREF连接第二十电容C20；第二十电容C20接地；第16引脚REFCOMP了连接第二十一电容C21，第二十一电容C21与第二十二电容C22并联，第二十二电容C22和第二十一电容C21的一端接地；第17引脚AGND2连接第18引脚AGND3；第18引脚AGND3分别连接第十四电容C14一端、第十五电容C15一端、第十二电容C12一端、第十三电容C13一端、第十电容C10一端、第十一电容C11一端；第19引脚AVDD连接第十五电容C15的另一端；第十五电容C15的另一端连接第20引脚DVDD和5V电源；第20引脚DVDD分别连接第十二电容C12的另一端、第十三电容C13的另一端；第21引脚OVDD分别连接第十电容C10的另一端、第十一电容C11的另一端；第22引脚BUSY#连接MCU控制器305的通用输入输出接口；第23引脚SDO连接至MCU控制器305的MISO引脚；第24引脚DGND接地；第25引脚SDI连接至MCU控制器305的MOSI引脚；第26引脚SCK连接至MCU控制器305的SCK引脚；第27引脚RD#连接至MCU控制器305的通用输入输出接口；第28引脚CONVST连接至MCU控制器305的通用输入输出接口。

其中，MCU控制器305的通用输入输出接口GPIO作为控制LTC1859芯片的命令输出接口。GPIO接口包括多个引脚端，在实际连接时，可任意选择GPIO接口中的多个引脚分别与CONVST引脚、RD#引脚、BUSY#引脚连接。

MCU控制器305通过GPIO接口输出相应的控制命令至LTC1859芯片的CONVST引脚、RD引脚、BUSY引脚，从而控制LTC1859芯片。

MCU控制器305的SPI通信引脚包括第一通信引脚MOSI、第二通信引脚SCK、第三通信引脚MISO。LTC1859芯片通过CH0引脚、CH1引脚、CH2引脚分别获取温度采样控制电路301传输的温度数据，并通过SDI引脚、SCK引脚、SDO引脚传输将获取到的温度数据以数字信号的方式传输至MCU控制器305中。温度数据包括热敏电阻NTC电压值。

进一步地，图8中，LDT为连接第2引脚CH0的接线的命名；TECV为第3引脚CH1的接线的命名，第3引脚CH1通过连接线TECV连接至ADN8834芯片的VTEC引脚；TECI为连接第4引脚CH2的接线的命名，第4引脚CH2通过连接线TECI与ADN8834芯片的ITEC引脚的连接。

在另一个具体的实施例中，温度采样控制电路301还可用于采集半导体激光器的TEC的电压和电流数据，并将电压电流数据通过AD转换电路303传输至MCU控制器305，从而对半导体激光器的TEC制热和制冷功率进行监测。可以理解的是，AD转换电路303传输TEC的电压和电流数据的原理与传输NTC的电压信号的原理相同，可参考上述说明，此处不再赘述。

在一个具体的实施例中，DA输出电路304包括DA驱动芯片，

DA驱动芯片的SCK引脚、SDI引脚、SDO引脚分别连接至MCU控制器305的第二通信引脚SCK、第一通信引脚MOSI、第三通信引脚MISO，用于接收MCU控制器305传输的控制电压信号，并将控制电压信号以模拟信号的方式从芯片的VOUTA引脚输出到ADN8834芯片的IN2P引脚中，ADN8834芯片根据IN2P引脚上的电压，通过LDR、SW、SFB引脚输出PWM波形的电压信号来控制半导体激光器内部的制冷器TEC进行制冷或制热，从而调节半导体激光器的温度。

在本实施例中，DA驱动芯片输出对应的控制电压来实现对ADN8834芯片的LDR、SW、SFB引脚输出电压控制。

需要说明的是，DA驱动芯片为LTC2600芯片。

具体如图9所示，DA驱动芯片的1-16引脚的连接关系如下：

第1引脚GND接地；第2引脚VOUTA连接ADN8834芯片的IN2P引脚；第3引脚VOUTB置空；第4引脚VOUTC置空；第5引脚VOUTD置空；第6引脚REF连接REF5025芯片的基准电压输出端VREF；并且连接第八电容C8的一端；第八电容C8的另一端接地；第7引脚CS#/LD连接至MCU控制器305的通用输入输出接口；第8引脚SCK连接至MCU控制器305的第二通信引脚SCK引脚；第9引脚SDI连接至MCU控制器305的第一通信引脚MOSI引脚；第10引脚SDO连接至MCU控制器305的第三通信引脚MISO引脚；第11引脚CLR#连接第十一电阻R11的一端，第十一电阻R11的另一端连接VCC；第12引脚VOUTE置空；第13引脚VOUTF置空；第14引脚VOUTG置空；第15引脚VOUTH置空；第16引脚VCC连接电源VCC；第七电容C7的两端分别连接电源VCC和地GND。

图9中，CSI为连接第7引脚CS#/LD的接线的命名，DAC为连接第2引脚VOUTA的连接线命名。

在一个具体的实施例中，第一电阻R1可以取200kΩ，第二电阻R2可以取5.1kΩ，第三电阻R3可以取20kΩ，第四电阻R4可以取20kΩ；第五电阻R5可以取47kΩ，第六电阻R6可以取10kΩ，第七电阻R7可以取17.8kΩ，第八电阻R8可以取7.68kΩ，第九电阻R9可以取80.6kΩ，第十电阻R10可以取10Ω，第十一电阻R11可以取10kΩ。

在一个具体的实施例中，第一电容C1可以取0.1uF，第二电容C2可以取0.1uF，第三电容C3可以取10uF，第四电容C4可以取0.1uF，第五电容C5可以取10uF，第六电容C6可以取10uF，第八电容C8可以取0.1uF，第十四电容C14可以取0.1uF，第十五电容C15可以取10uF，第十二电容C12可以取0.1uF，第十三电容C13可以取0.1uF，第十电容C10可以取0.1uF，第十一电容C11可以取10uF，第二十电容C20可以取1uF，第二十一电容C21可以取0.1uF，第二十二电容C22可以取10uF，第二十七电容C27可以取1uF，第二十八电容C28可以取1uF。

在一个具体的实施例中，第一电感L1可以取1uH。

在另一个优选的实施例中，MCU控制器305可以采用型号为STM32H743VIT6的控制器等。

若采用STM32H743VIT6的控制器，则有：

GPIO接口的引脚对应有PA0引脚、PA1引脚、PA2引脚、PA3引脚，LTC1859芯片的CONVST引脚、RD#引脚、BUSY#引脚和DA驱动芯片的CS#/LD引脚则可以分别连接至PA0引脚、PA1引脚、PA2引脚、PA3引脚。可以理解的是，可以任意选取连接，无次序限定。

第一通信引脚、第二通信引脚、第三通信引脚则分别对应于PA5引脚、PA7引脚、PA6引脚。

本实施例提供的一种半导体激光器温度控制系统的工作流程为：

首先，由温度采样控制电路301对半导体激光器中的NTC进行电压采样，该电压经过温度采样控制电路301的分压部分输入至ADN8834芯片中，再由ADN8834芯片的OUT1引脚输出给AD转换电路303，AD转换电路303将该电压值转换成数字信号量并通过SPI通信协议传输给MCU控制器305，该电压的数值即表示当前所测的温度值，此时，MCU控制器305会根据实施例一或者实施例二提供的方法，对该温度值做判定并给出决策结果，即温度控制量，该温度控制量通过SPI通信协议传输给DA输出电路304，DA输出立即将该输出量转换成模拟电压输出给温度采样控制电路301芯片ADN8834的IN2P引脚，ADN8834芯片根据IN2P引脚上的电压，通过LDR、SW、SFB引脚输出PWM波形的电压信号来控制TEC进行制冷或制热，从而使实时温度值维持在预设温度值的范围。

本发明还提供一种电子设备，设备包括处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行如上的方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行如上的方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种半导体激光器温度控制方法，其特征在于，包括：

获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值；

输出与所述温控策略对应的温度控制量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一温差值、所述第一偏差值、所述第二偏差值确定所述实时温度值对应的温控策略，包括：

若是，则判断所述第一温差值是否大于0；

当所述第一温差值大于0，启动最大制冷功率调节策略；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断所述第一温差值的绝对值是否大于预设的第一温差阈值，包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一温差值、所述第一偏差值、所述第二偏差值确定所述实时温度值对应的温控策略，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输出所述温控策略对应的温度控制量之后，所述方法还包括：

迭代所述获取当前时刻采集的半导体激光器的实时温度值至所述输出所述温控策略对应的温度控制量的步骤。

8.一种半导体激光器温度控制系统，其特征在于，所述系统包括：温度采样控制电路、基准电压源电路、AD转换电路、DA输出电路、MCU控制器；

所述MCU控制器与所述DA输出电路连接，用于执行如权利要求1-7任一项所述的方法，输出温度控制量，并将所述温度控制量传输至所述DA输出电路；

9.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器：

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如权利要求1-7任一项所述的方法。