基于AVR單片機的激光電源閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：為使激光器穩(wěn)定輸出，采取控制驅(qū)動電流和溫度的設(shè)計方案，基于AVR單片機設(shè)計一種半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)。采用負反饋原理和閉環(huán)控制思想分別實現(xiàn)對驅(qū)動電流和溫度的控制，從而完成高性能半導(dǎo)體激光器的研制。采用AVR作為主控制芯片，以模數(shù)、數(shù)模等轉(zhuǎn)換芯片作為其外部擴展電路。為保護激光器和其他易損元件，整個驅(qū)動電路具有抗電沖擊和過流保護等多種功能。通過實驗證明：該系統(tǒng)能使激光驅(qū)動電路1 h內(nèi)偏差為0.02%，穩(wěn)定性良好，溫度控制偏差為±0.005 ℃。該電源控制系統(tǒng)可靠性高，可移植性強，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光器驅(qū)動電源；驅(qū)動電流；溫度；負反饋；閉環(huán)控制

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0078-05

Abstract： To make the laser output steadily， a semiconductor laser driving power control system was designed based on AVR microcontroller for the experiment by controlling driving current and temperature. To do the research on high-performance laser， driving current is controlled with the basis of the theory of inverse feedback while temperature is controlled by closed-loop control. In this system， AVR microcontroller is the core control chip and the analog-digital conversion and digital-analog conversion chips are in external circuits. To protect laser as well as other fragile devices， the whole driving circuit is equipped with such functions as anti-impulse and over-current protection. The experiment shows that the stability of driving circuit of laser is 0.02% while the temperature offset proves to be ±0.005 ℃. The system is more reliable and higher portability. It has great potential to be applied in research and industry.

Keywords： laser driving power； driving current； temperature； inverse feedback； closed-loop control

0 引 言

因激光束高度的指示性及高亮度的特性，激光器在精密加工、光譜學(xué)、醫(yī)療、通信、測量及軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。研究和開發(fā)新的激光器，至今仍是世界各國的研究熱門。半導(dǎo)體激光器（laser diode，LD）是一種電流注入式電致發(fā)光的二極管，外加電流使其產(chǎn)生大量電子和空穴，電子空穴的復(fù)合激發(fā)出新的光子。激光器合理的結(jié)構(gòu)、合適的供電系統(tǒng)及溫控系統(tǒng)是激光器能夠安全可靠工作的3個關(guān)鍵因素。

目前我國對半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的研究不夠全面，研究成果多集中于連續(xù)激光輸出[1-2]和低占空比激光輸出[3-4]的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源。因此，為提高激光器性能，解決驅(qū)動電源的問題和保護電路，設(shè)計和開發(fā)有效的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)非常重要。

本文針對我國目前不穩(wěn)定、低占比的激光輸出問題，在研究激光器工作原理及特性的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動電流和溫度的穩(wěn)定性直接影響激光器輸出的穩(wěn)定性。因此，采用AVR單片機設(shè)計了高效的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)框圖

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為9個主要部分：上位機（personal computer，PC）、總控系統(tǒng)控制板、溫控電源、溫控系統(tǒng)（熱敏電阻和制冷器）、激光器電源、激光器系統(tǒng)、聲光Q開關(guān)驅(qū)動電源、聲光Q開關(guān)、采集系統(tǒng)[5]?？偪叵到y(tǒng)控制板以AVR單片機（ATxmega128A1）為核心，由多路測量信號調(diào)理電路、輸出模擬信號和數(shù)字信號的隔離和驅(qū)動電路、通信單元、脈沖調(diào)制成形單元等電路組成。

2 激光器電源控制系統(tǒng)設(shè)計

總控系統(tǒng)控制板采用主從控制方式，主機為PC機，從機采用AVR單片機作為控制核心。主機與從機之間的信息交互采用控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）通信實現(xiàn)兩者參數(shù)、指令及實時數(shù)據(jù)的傳遞。利用CAN控制器可以實現(xiàn)單片機多機系統(tǒng)對等式通信[6]。

總控系統(tǒng)傳遞來自PC機的激光器電源參數(shù)，同時實時處理和傳遞其電壓、電流和激光器系統(tǒng)的溫度，防止系統(tǒng)因超壓、超流、超溫引發(fā)故障。

總控系統(tǒng)控制板控制聲光Q開關(guān)驅(qū)動電源的關(guān)斷和開啟，設(shè)置聲光Q開關(guān)重頻、脈寬，并監(jiān)測其電壓、電流，從而保證聲光Q開關(guān)正常工作，它在激光光路中起到開關(guān)作用，把需要的激光釋放出來，把不需要的光鎖住。

同時，總控系統(tǒng)控制溫控電源的關(guān)斷和開啟，在溫控系統(tǒng)監(jiān)測下，保證激光器系統(tǒng)正常工作。

3 激光器電源硬件電路原理圖

3.1 電流源設(shè)計

電流源[7]設(shè)計采用負反饋原理控制驅(qū)動電流的輸出，通過軟件和硬件反饋兩種方式來達到精確控制電流的目的。為保證足夠的電流和功率，一方面在硬件上需要選取合適的功率、電流放大器件；另一方面，選用控制理論中的閉環(huán)控制思想?；驹砣鐖D2所示，這里，上位機預(yù)設(shè)電源的電流值，通過單片機、外部數(shù)模轉(zhuǎn)換（digital to analog converter，DAC）芯片，輸出電流控制信號；再經(jīng)過放大器、功率放大電路、負載輸出驅(qū)動電流驅(qū)動激光器；同時，將與激光器串聯(lián)的負載兩端的電壓通過比例放大環(huán)節(jié)反饋回放大器輸入端，形成反饋回路。由基本電路理論[8]可以推出：

由式（1）可以得到，驅(qū)動電流I與設(shè)定的電壓Uset有如下關(guān)系：

由此可以看出驅(qū)動電流I與設(shè)定的電壓Uset成線性比例關(guān)系?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)負載R3的值，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流的大小。

同時，對負載兩端的電壓值進行采樣轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，在程序中根據(jù)該數(shù)據(jù)選擇一定的算法計算并調(diào)整輸出值，使實際值逼近給定值。

3.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計

精確控制激光器的工作溫度可以實現(xiàn)激光器輸出穩(wěn)定的波長[9]。半導(dǎo)體制冷器可制冷可加熱，與被控對象半導(dǎo)體激光器結(jié)合，可實現(xiàn)溫度的改變，這里將制冷器作為執(zhí)行機構(gòu)控制激光器的溫度。為了提高控制精度，采用閉環(huán)負反饋溫控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，單片機以溫度設(shè)定值和采樣值之差作為控制信號，控制制冷器，從而實現(xiàn)對溫度的自動控制。溫控系統(tǒng)的溫度采樣電路如圖4所示。由于溫度是非電量，因此，對溫度的檢測與控制需要使用傳感器或溫度熱敏元件。激光器溫度變化會引起熱敏電阻阻值的變化，從而引起電路上電壓的變化，經(jīng)過運算放大器，進入模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog to digital converter，ADC）芯片，送入AVR單片機。在AVR單片機編程環(huán)境下通過算法處理獲取溫度值從而控制制冷器保證激光器溫度的穩(wěn)定。

3.3 過流保護電路

由于激光器在一個大的電壓瞬變過程或持續(xù)一段時間的電流浪涌情況下會導(dǎo)致輸出功率下降甚至損壞，一個可靠的防護系統(tǒng)就顯得至關(guān)重要。為解決絕緣柵雙極性晶體管的過流擊穿問題，有實驗分別設(shè)計了過載保護電路和短路保護電路[10]。本文采用硬件與軟件相結(jié)合的方式對激光器進行過流保護，具體電路如圖5所示。硬件采樣電路采集負載的電壓值放大后和電壓上限值比較，獲得是否過流的信號；該信號再以中斷的方式送入AVR單片機，一旦觸發(fā)中斷，則跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，進行過流保護。在該電路中，電壓上限值可通過變阻器改變。

4 激光器電源軟件設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要實現(xiàn)對半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)和激光器輸出參數(shù)等進行采集、數(shù)據(jù)判斷和控制。工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示，整體包括以下功能：狀態(tài)及參數(shù)檢測、工作參數(shù)傳遞及輸出條件判斷、激光器正常輸出、激光器異常報警。

電源控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用狀態(tài)機方式[11]，整個流程主要分為自檢態(tài)、待機態(tài)、輸出態(tài)、故障態(tài)4個狀態(tài)。開機上電初始化CAN模塊、ADC模塊、DAC模塊，啟動自檢程序，正常則進入待機態(tài)。在自檢態(tài)中打開溫控電源，傳遞來自上位機的工作參數(shù)，并判斷溫控系統(tǒng)電壓、電流、溫度是否達標。如果監(jiān)測的各指標符合激光器出光條件后，進入待機狀態(tài)，在待機態(tài)中，監(jiān)測各電源的電壓、電流、溫度。如果出現(xiàn)故障，進入故障態(tài)；如果接收到激光器輸出指令，則打開Q開關(guān)、LD泵浦電源，30 min定時開始，進入輸出態(tài)。在輸出態(tài)，監(jiān)測各工作參數(shù)，如果有故障，關(guān)閉電源，進入故障待機狀態(tài)；如果接收到PC機的輸出停止命令或者30 min定時到，則關(guān)閉LD泵浦電源，回到待機狀態(tài)。在故障態(tài)，報警相應(yīng)故障。如果接收到來自PC機的故障復(fù)位指令，則回到自檢態(tài)。

4.2 上位機軟件設(shè)計

為模擬調(diào)試系統(tǒng)，實現(xiàn)指令（包括激光器系統(tǒng)工作參數(shù)、故障復(fù)位等）的設(shè)置和顯示等功能，采用Visual C++軟件設(shè)計了激光器上位機監(jiān)控界面。具體流程圖如圖7所示。

5 實驗結(jié)果

激光器上位機監(jiān)控設(shè)計界面如圖8所示，從該界面可以看出激光器電源控制系統(tǒng)的整體功能：PC機通過CAN口與AVR單片機實現(xiàn)連接后，設(shè)置Q開關(guān)頻率和脈寬，激光器電流、頻率及占空比，點擊“輸出”控件，就可以實現(xiàn)激光器的出光。同時，可以通過PC機反饋各工作參數(shù)的實際值了解各模塊的工作狀態(tài)，對應(yīng)指示燈則用于相應(yīng)的故障報警（如超流、超溫）。

設(shè)置溫度與實測溫度差值關(guān)系如圖9所示，由此可見，溫度控制偏差為±0.005 ℃。

實驗表明，輸出電流與設(shè)置電流之間線性度高。在此，設(shè)置驅(qū)動電流5 A，每隔1 min實測1 h內(nèi)輸出電流值，由此繪出1 h內(nèi)60個輸出電流值，如圖10所示。由圖10可得電流穩(wěn)定性散點圖，如圖11所示。由此可見，控制系統(tǒng)能使激光驅(qū)動電路1 h內(nèi)偏差控制在0.02%，穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)束語

本文采用自頂向下的設(shè)計方法，并在實驗室和工業(yè)現(xiàn)場上進行了調(diào)試，主要調(diào)試的項目包括檢測各設(shè)備是否超溫、超流，在各設(shè)備正常工作的情況下實現(xiàn)了激光器的穩(wěn)定輸出，達到了設(shè)計要求。采用狀態(tài)機的方式，整個系統(tǒng)框架清楚明了，便于閱讀、理解、維護，可靠性強。

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（編輯：莫婕）