基于STM32的大功率光纖激光器控制系統(tǒng)設計

周永好

(中山火炬開發(fā)區(qū)理工學校，廣東 中山 528400)

0 引言

21世紀激光技術的飛速發(fā)展帶來了光纖激光器的廣泛應用。相對于傳統(tǒng)的激光器，光纖激光器光電轉換效率高、光束質量好、結構緊湊、可靠性好且易于集成，是工業(yè)切割、焊接等領域理想的光源，廣泛應用于工業(yè)加工、醫(yī)療、遙感、安防和科研等領域，光纖激光器的廣泛應用對其控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求[1-3]。

國內(nèi)外關于激光器控制系統(tǒng)的研究大多是針對固體激光器和半導體激光器[4-9]，主要包括半導體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀[8]、半導體激光器驅動電路等[9-10]，對光纖激光器的研究主要還停留在光纖激光器發(fā)展現(xiàn)狀[1]、光纖激光器脈沖泵浦特性實驗研究[2]和光纖激光器功率與溫度特性等[3]，缺乏對光纖激光器控制系統(tǒng)的全面研究。針對以上問題，本文基于STM32實現(xiàn)對大功率激光器控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，該控制系統(tǒng)具有良好的交互性和實時性，通過串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，經(jīng)過Qt Creator進行數(shù)據(jù)處理和檢測，在界面上直觀清晰顯示，并能夠對溫度、電流和PD等參數(shù)進行保護控制，確保光源的穩(wěn)定[11-20]。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 設計的基本原則

基于STM32的大功率光纖激光器控制系統(tǒng)硬件部分設計原則主要包括：

① 穩(wěn)定性。以單片機STM32F103VET6作為下位機硬件主控芯片，包括輸入信號處理電路、輸出信號處理電路和保護監(jiān)測電路等，精心設計的硬件電路可對信號進行精確處理，確保了信號的穩(wěn)定性[12-15]。

② 靈活性。本系統(tǒng)包括命令控制模式和外部控制模式2種控制模式，能靈活根據(jù)場景需要進行操作。

③ 交互性強。提供友好的用戶界面，操作簡單，用戶可在PC端對信號進行設定并監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.2 硬件總體設計

為了采集、處理和輸出信號，本系統(tǒng)采用STM32F103VET6作為硬件設計部分主控芯片，硬件總體設計框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件總體框圖

此系統(tǒng)主要分為電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊5部分。其中，電源模塊為硬件提供穩(wěn)定工作電源，輸入模塊用于處理外部的3路輸入控制信號，輸出模塊用于輸出電源的模擬控制信號驅動泵源出光，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集電流、溫度和光電轉換值PD等，顯示模塊主要由圖形界面的上位機和指示燈等構成[13]。

1.3 輸入信號處理電路模塊設計

為了方便調試和控制，激光器設置2種控制模式：命令控制模式和外部信號控制模式，可通過命令切換2種控制模式，同一時間只能選擇一種控制模式，系統(tǒng)默認為外部信號控制模式，PWM使能輸入控制信號和模擬控制信號采集電路如圖2和圖3所示[14]。

圖2 PWM使能輸入控制信號電路

圖3 模擬控制信號采集電路

當處于外部信號控制模式時，外部輸入信號有3路：幅值24 V的PWM調制信號、幅值24 V的出光使能信號EN、0～10 V模擬電壓可調控制信號DA。其中24 V的PWM調制信號和出光使能信號EN分別通過分壓電路降壓到5 V，經(jīng)過6N137高速光耦器，隔離外部異常信號的干擾，然后通過SN74HC00相與，得到一個可用于使能的PWM信號，通過TC427EOA將5 V的使能PWM信號降壓到3.3 V，傳遞給單片機的定時器端口進行PWM信號的捕獲。對于0～10 V可調控制信號，先通過電阻分壓降為0～4 V電壓，再經(jīng)過ISO124芯片進行信號隔離，隔離外部異常信號的干擾，然后再經(jīng)過OPA2340進行功率放大，增強驅動能力，再經(jīng)過電阻分壓后，得到0～2 V的模擬信號，輸送給單片機的ADC模塊進行模擬信號的采集與檢測。

當處于命令控制模式時，單片機STM32F103VET6通過串口與上位機PC進行通信，模擬電壓信號、出光使能信號和PWM調制信號通過上位機進行數(shù)值設置和使能控制。

1.4 輸出信號電路處理模塊設計

3路外部輸入信號經(jīng)過信號處理電路模塊進行處理后送到STM32F103VET6。單片機捕獲到PWM信號并判斷其是否符合激光器的應用范圍，當處于范圍之內(nèi)原樣輸出PWM信號，本文激光器PWM頻率設定最高為20 kHz，當頻率超過時，輸出20 kHz的PWM信號[11]。

與此同時，單片機采集到模擬電壓信號經(jīng)過單片機內(nèi)部自帶DAC模塊轉換成恒流源電壓控制信號，當采集到的模擬電壓超過2 V時，單片機只輸出額定功率所對應的恒流源電壓控制信號。單片機輸出的PWM信號和恒流源電壓控制信號DAC經(jīng)過圖4所示的輸出信號處理電路模塊進行處理[11-13]。

圖4 輸出信號處理電路

ADG801是一款單刀單擲的模擬開關芯片，具有極低導通電阻、高開關速度和低泄漏電流特性。經(jīng)過單片機內(nèi)部DAC模塊處理后的恒流源電壓控制信號DAC經(jīng)過驅動器OPA2340進行放大，增加驅動能力后，作為ADG801的數(shù)據(jù)輸入端，單片機輸出的PWM信號經(jīng)過TC427EOA增加驅動能力后，作為ADG801的信號控制端，為了更有效地保護激光器，電路中增加一個保護輸出信號SW。當激光器正常工作時，保護輸出信號SW為低電平，不影響PWM信號對ADG801的控制，恒流源電壓控制信號DAC-OUT正常輸出，驅動光譜泵源出光；而當保護信號SW輸出為高電平時，三極管Q1導通，拉低PWM信號，從而失去對于ADG801的控制，恒流源電壓控制信號DAC-OUT無法正常輸出，無法驅動光譜泵源出光。

1.5 保護電路設計

為確保電路正常工作，電路設有溫度保護、電流保護和PD出光檢測3個模塊。

溫度保護模塊：用于金屬切割的激光器的輸出功率一般高于500 W，會產(chǎn)生大量熱量。為保護激光不因溫度過高而損壞，采用HWLS-1500型恒溫冷水機對其進行降溫，其額定制冷量1 500 W，額定加熱功率500 W，控溫精度可達±0.5 ℃，可有效穩(wěn)定激光器的溫度。同時采用Pt100熱敏電阻采集多個測試點的溫度，對其進行監(jiān)控，保證激光器處于正常工作狀態(tài)[12]。

電流保護模塊：為保持激光器內(nèi)部清潔，同時利用水路循環(huán)降溫，本系統(tǒng)采用水冷電源，通過壓控恒流源的方式驅動光譜泵源出光，使激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的功率。當激光器工作時，單片機分多路檢測恒流源的電流大小，當采集到的電流過高時，產(chǎn)生保護信號，使PWM的控制信號為低，從而保護激光器的泵源。

出光檢測模塊：當激光器進行切割時，會遇到各種金屬材料，而部分材料(如鋁銅等金屬材料)，具有很強的鏡面反射效果，長期處于強烈的反光情況下，激光器輸出口QBH會受到一定程度的損壞，因此需要對激光器的出光和回反光進行檢測，以保護激光器。本系統(tǒng)使用光電轉化模塊，對激光器的回反光和出光的分光束進行轉換，并通過運算放大器對轉換的信號進行放大，當電壓超過一定電壓值，即表示有光或者有回反光，反之，即表示無光或者無回反光。

2 軟件設計

系統(tǒng)的軟件控制部分由2部分構成：基于STM32庫函數(shù)開發(fā)的單片機程序和基于Qt Creator的圖形用戶界面程序。STM32F1系列是意法半導體出品的32位ARM微控制器，比傳統(tǒng)的單片機性能更強勁，主頻分36 MHz和72 MHz兩種，價格低廉，靈活性強，片載資源豐富，內(nèi)部寄存器數(shù)量多，通用輸入輸出功能強大，自帶ADC和DAC轉換模塊。本系統(tǒng)以庫函數(shù)的方式編寫程序，調用封裝好的庫函數(shù)來驅動各個外設，同時參考寄存器開發(fā)資料對程序進行修改[13-14]。

Qt是一個多平臺C++圖形用戶界面應用程序的框架，提供一組更容易理解的GUI類，使系統(tǒng)運行速度更快，Qt面對對象易擴展，允許真正的組件編程，其特有的信號與槽的處理方式更便于使用。本文通過Qt實現(xiàn)基于串口通信的上位機界面，便于檢測和控制單片機的硬件系統(tǒng)[16-20]。

2.1 基于STM32的應用程序設計

正常工作下，硬件控制系統(tǒng)主要是完成外圍電路的檢測、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出等多種功能。依據(jù)上文中激光器驅動控制部分的功能要求，設計出對應的STM32程序[12]，流程如圖5所示。

圖5 主流程

程序開始后，MCU初始化，完成對單片機時鐘、引腳和串口的基本設置，然后由外部輸入命令決定是否切換控制模式，系統(tǒng)默認為外部觸發(fā)模式。當默認為外部觸發(fā)模式時，由外部信號觸發(fā)中斷完成出/關光控制；當切換為命令模式時，由程序指令完成出/關光控制。出光時系統(tǒng)循環(huán)檢測溫度和電流，實時監(jiān)控激光器的工作環(huán)境。其相應的外部觸發(fā)模式和命令模式流程如圖6和圖7所示。

圖6 外部控制模式

圖7 命令控制模式

2種模式下，都是在采集到出光信號后，開啟定時前向光的檢測，反饋激光器是否正常出光，當采集到關光信號后，則關閉對于前向光的檢測。同時，通過定時器的功能，檢測PWM信號的周期和占空比。

2.2 基于Qt Creator的圖形用戶界面設計

信號控制模式包括外部信號控制模式和命令控制模式2種信號控制模式，針對2種信號控制模式基于Qt Creator分別設計外部信號控制模式圖形界面和命令控制模式圖形界面，用于觀察、檢測和控制硬件操作系統(tǒng)[19-20]。

當處于外部信號控制模式時，上位機圖形界面如圖8所示。

圖8 外部信號控制模式界面圖

當處于命令控制模式時，上位機圖形界面如圖9所示。

圖9 命令控制模式界面圖

2次峰值功率選取80%進行對比，系統(tǒng)的所有參數(shù)均在界面上清晰、直觀地顯示。圖形界面左上部分顯示各種參數(shù)信息，包括功率來源、PWM來源和占空比等六大參數(shù)，當處于命令控制模式時，功率設置、頻率、占空比3個參數(shù)可通過該界面設定，當處于外部信號控制模式時該3個參數(shù)由3路外部輸入信號決定，界面上紅色線條表示當前采集的平均電流，藍色線條則表示當前采集的平均溫度，界面右側詳細顯示當前采集的4路溫度和電流，界面下方左邊記錄欄部分顯示系統(tǒng)報警時的錯誤信息，界面下方右邊為出光設置和回光設置欄，可以設置PD的比較值，用于檢測出光和反光。

3 系統(tǒng)仿真結果與結果分析

實驗測得產(chǎn)生不同波長激光的技術參數(shù)如表1所示。

表1 不同波長激光對應參數(shù)表

設置百分比/%對應功率/W實際功率/W對應電流/A實際電流/A2010097.62.42.540200195.54.84.960300295.47.27.280400396.79.69.6100500501.112.011.9

選取實驗中的5組數(shù)據(jù)進行記錄，根據(jù)實驗統(tǒng)計結果分析，百分比越高，實際功率誤差越小，功率為500 W時實際功率誤差僅為0.2%，最大功率誤差不超過0.4%；同樣，電流越大，實際電流誤差越小，電流精度可達±0.1 A。研究表明，該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制激光器泵源的出光。

4 結束語

相對于其他類型激光控制系統(tǒng)或偏向于控制電源的設計，或偏向于溫度和電流的檢測保護，該控制系統(tǒng)不僅能夠有效控制激光器泵源的出光[6]，上位機界面還能夠實時監(jiān)控激光器工作的電流和溫度參數(shù)[20]，溫度精度可達±0.1 ℃，電流精度可達±0.1 A。在切割應用方面，該系統(tǒng)具有PD保護處理電路模塊，能合理有效地保護激光器免于不同材料反光的損壞。同時該控制系統(tǒng)具有內(nèi)外2種控制模式，可滿足不同的應用需要，人機交互界面良好，實用性強，操作便捷，性價比高，可推廣應用于工業(yè)過程控制和智能自動化控制領域[7]。