基于ZigBee遠(yuǎn)程控制的激光光源系統(tǒng)

汪 洋， 王海龍， 龔 謙， 陳 朋， 柳慶博

（①曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165；②中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光器已經(jīng)深入到生活的各個方面，包括科學(xué)研究領(lǐng)域。人類、嚙齒類動物和猴子的研究表明，感光視蛋白受體靈敏度最高的光線波長范圍為459～485 nm[1]，其中以473 nm波長為最高吸收峰值。大量實(shí)驗(yàn)表明，以特定頻率的脈沖激光照射被移植基因的核團(tuán)后，會釋放出大量可以抑制癲癇發(fā)病的蛋白。如果將可調(diào)制激光器小型化并安裝在動物身上，那么可以用來研究激光對動物行為學(xué)的影響。而傳統(tǒng)的可調(diào)制激光器體積比較大且需要交流電源供電，使其無法應(yīng)用在移動領(lǐng)域。本文設(shè)計了一種無線便攜式的可遙控激光器，填補(bǔ)了激光器在移動領(lǐng)域的空白，并將其應(yīng)用于動物行為學(xué)的研究。從長遠(yuǎn)的角度看，未來的超小型激光器將會安裝到人體內(nèi)，通過自反饋網(wǎng)絡(luò)，治療癲癇等神經(jīng)性疾病。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee（IEEE 802.15.4）技術(shù)是為了滿足個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)而提出的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，它同藍(lán)牙、WIFI等一樣，同屬于無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的范疇。與藍(lán)牙、WIFI相比，它的傳輸速率比較低，但優(yōu)點(diǎn)也很多：功耗小，協(xié)議簡單，成本低,網(wǎng)絡(luò)容量大,時延短[2]。同時，ZigBee具有自組網(wǎng)功能，設(shè)備可以作為發(fā)起設(shè)備，也可以是終端設(shè)備。本系統(tǒng)中，采用了上海斐盈電子公司的FY433-MO1-500模塊，以直序擴(kuò)頻調(diào)制方式，空曠傳輸距離為300～500米，待機(jī)電流6 mA，最大發(fā)射電流26 mA，工作電壓為3.3 V。

1.2 整體設(shè)計方案

該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，控制輸出電流的大小及波形，并且與ZigBee模塊串口相連，接收無線信號指令，如圖1所示，為該系統(tǒng)的總模型框圖。由于激光器受溫度影響較大，故需要良好的散熱結(jié)構(gòu)和溫度控制。使用鋁盒作為機(jī)盒，與激光器的散熱器直接相連，增加其散熱性能，并且在天線接收處，用塑料板替換鋁板，增強(qiáng)了電磁場與天線的耦合[3]。激光器是比較昂貴的器件，其安全性問題將影響整個系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)中加入了看門狗芯片，防止單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛而陷入某一程序段進(jìn)入死循環(huán)時，對激光器造成不可恢復(fù)的傷害[4]。此外，用繼電器的常閉觸點(diǎn)并聯(lián)到激光器兩端，把激光器短路，對其進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)通電時，繼電器常開觸點(diǎn)吸合，激光器開始工作。

圖1 系統(tǒng)總框

1.3 脈沖源

本系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為控制核心,與其它器件組成通用設(shè)計模塊[5]，通過DA轉(zhuǎn)換芯片輸出電壓，再通過運(yùn)算放大器的一級放大和三極管的二級放大，得到所需要的電流。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 脈沖源電路原理

由于采用便攜式設(shè)計，本系統(tǒng)采用鋰電池供電，為防止干擾，電路數(shù)字部分和模擬部分供電電源用磁珠隔離，電壓經(jīng)過穩(wěn)壓模塊對單片機(jī)供電[6]。由于固態(tài)半導(dǎo)體激光器的工作電流比較大，約為1.5 A，所以三極管在放大電流時會放出很大的熱量，對三極管造成損傷。通過在三極管上加散熱片和并聯(lián)三極管的方式，使集電極的電流分流，從而減少了每個三極管的負(fù)載。

從三極管基本共射級放大電流公式 Ic=β?Ib可以看出這是一個開環(huán)增益，而放大倍數(shù)β又取決于溫度與基極電流的大小，這樣很不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，故在輸出端加入比例-積分-微分（PID，Proportional-Integral-Derivative）反饋控制器[7]，其原理圖如圖3所示，其中r(t)為系統(tǒng)給定值，c(t)為實(shí)際輸出，u(t)為控制量。

圖3 PID控制器原理框圖

圖3所示PID控制器表達(dá)式為：

式(1)中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)-c(t)，u(t)為控制量；kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。通過比例、積分、微分的相互作用，使激光器的反饋電流信號及時有效的調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，從而實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定輸出。

1.4 溫度控制

溫度對激光器的影響很大，激光器管芯溫度的升高會造成管芯材料位錯、缺陷的產(chǎn)生和富集，使得激光器內(nèi)非輻射復(fù)合增加，從而降低激光器的轉(zhuǎn)化效率，劣化激光器的光電特性甚至突然失效；同時，溫度對晶體的轉(zhuǎn)化效率也有很大影響，在適宜的溫度環(huán)境下，晶體的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高[8]。通過實(shí)驗(yàn)測得，473 nm的固態(tài)半導(dǎo)體激光器在25℃時，輸出功率達(dá)到最大，故用溫度控制器將其控制在25℃。

本系統(tǒng)中用熱敏電阻（NTC 10k）探測激光器的溫度，并用熱電制冷器（TEC1-12706）來控制激光器的溫度。熱電制冷器(TEC, Thermo Electric Cooler)是利用帕爾貼效應(yīng)制成的固體熱泵，具有體積小、重量輕、無噪音等優(yōu)點(diǎn)。為了更好地散熱，增加散熱面積和選用比較好的導(dǎo)熱材質(zhì)尤為重要。本系統(tǒng)中的散熱片采用的是加工后的電腦CPU散熱器并和裝置外殼緊密接觸，激光器、熱沉、TEC和散熱片緊緊的貼在一起，為了隔絕空氣薄層對導(dǎo)熱性的影響，在各接觸層之間均勻涂抹了一層導(dǎo)熱硅脂。

溫度控制電路如圖4所示，該模塊設(shè)計中運(yùn)用橋式電阻將熱敏電阻的阻值與一個可調(diào)電阻進(jìn)行比較，從而最終使溫度達(dá)到一個動態(tài)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)[9]。

圖4 溫度控制器原理圖

1.5 軟件部分

軟件由發(fā)射部分和接受部分2部分組成，每個部分又由若干個子程序模塊構(gòu)成。對于發(fā)射器部分，需要有按鍵識別、屏幕顯示、看門狗、數(shù)據(jù)處理以及信號發(fā)送等。對于接收器部分，需要數(shù)據(jù)監(jiān)聽、數(shù)據(jù)處理以及脈沖控制等。

在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化設(shè)置，即對ZigBee模塊的相關(guān)I/O口、寄存器初始化，設(shè)置工作頻率、工作模式等。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，主動掃描信道，在有協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起連接請求，當(dāng)?shù)玫絽f(xié)調(diào)器的入網(wǎng)許可后，分配給路由器16位網(wǎng)絡(luò)短地址，然后對信道進(jìn)行監(jiān)聽。當(dāng)檢測有數(shù)據(jù)包發(fā)送時，進(jìn)行相應(yīng)的處理。圖5和圖6分別為接收部分脈沖源的軟件流程圖和發(fā)送器的軟件流程圖。

在接收系統(tǒng)中，是否接收到數(shù)據(jù)是靠單片機(jī)的串口中斷來判斷的，監(jiān)測數(shù)據(jù)時打開串口中斷，等接受完所有的指令后關(guān)閉中斷。對接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)程序解碼和處理后，由單片機(jī)進(jìn)行控制。

圖5 脈沖源軟件流程

圖6 發(fā)送器軟件流程

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在激光器內(nèi)部，由自己設(shè)計的支架調(diào)節(jié)并固定住激光器與光纖準(zhǔn)直透鏡的位置與角度，使激光平行入射到光纖準(zhǔn)直透鏡的中心處，激光通過光纖耦合輸出。光纖準(zhǔn)直透鏡與 TEC之間進(jìn)行熱絕緣處理[10]，防止溫度變化造成機(jī)械形變，進(jìn)而影響光路。由實(shí)驗(yàn)測得，其耦合效率可以達(dá)到80%。

圖7為正在工作中的遙控激光器，并且經(jīng)過測試，它的光纖輸出功率最大為 20 mW，頻率 0～500 Hz可調(diào)，最小占空比可達(dá) 0.03%，功率穩(wěn)定度＜10%，工作溫度為10～30℃，光斑模式為TEM00，F(xiàn)C/PC光纖接頭，最遠(yuǎn)實(shí)測遙控距離300 m，最長續(xù)航時間約為3～4小時。

圖7 激光器工作實(shí)物

在以后的工作中，各項(xiàng)性能指標(biāo)還有待提高，而且會朝著小型化、高穩(wěn)定、長續(xù)航的方向發(fā)展。同時為了滿足科研的需要，該激光器將不僅輸出可調(diào)節(jié)激光，而且還可以監(jiān)測生物體的各項(xiàng)生命特征。依托于ZigBee的自組網(wǎng)技術(shù)，可以組建一個更加智能、可調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，從而可以控制和反映一個生命群體的各項(xiàng)生命特征。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)采用了通用器件設(shè)計的脈沖源，降低了生產(chǎn)成本, 并且各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到激光器驅(qū)動電源性能, 具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。溫度的全自動化智能控制,保證其有一個相對穩(wěn)定的溫度環(huán)境,在激光器進(jìn)入正常工作溫度范圍后,可以保持連續(xù)不間斷的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該脈沖源具有使用方便、穩(wěn)定性高、功率設(shè)定值數(shù)字可調(diào)、溫控設(shè)定值可調(diào)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于科研和生產(chǎn)當(dāng)中。此外，在其它領(lǐng)域，如無線激光探測、無線激光切割以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中都有著廣闊的應(yīng)用前景。

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