基于ZigBee遠程控制的激光光源系統

汪 洋， 王海龍， 龔 謙， 陳 朋， 柳慶博

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

0 引言

隨著科學技術的發展，激光器已經深入到生活的各個方面，包括科學研究領域。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。大量實驗表明，以特定頻率的脈沖激光照射被移植基因的核團后，會釋放出大量可以抑制癲癇發病的蛋白。如果將可調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的影響。而傳統的可調制激光器體積比較大且需要交流電源供電，使其無法應用在移動領域。本文設計了一種無線便攜式的可遙控激光器，填補了激光器在移動領域的空白，并將其應用于動物行為學的研究。從長遠的角度看，未來的超小型激光器將會安裝到人體內，通過自反饋網絡，治療癲癇等神經性疾病。

1 系統結構設計

1.1 ZigBee技術

ZigBee（IEEE 802.15.4）技術是為了滿足個人區域網絡而提出的無線通信標準，它同藍牙、WIFI等一樣，同屬于無線個人區域網絡的范疇。與藍牙、WIFI相比，它的傳輸速率比較低，但優點也很多：功耗小，協議簡單，成本低,網絡容量大,時延短[2]。同時，ZigBee具有自組網功能，設備可以作為發起設備，也可以是終端設備。本系統中，采用了上海斐盈電子公司的FY433-MO1-500模塊，以直序擴頻調制方式，空曠傳輸距離為300～500米，待機電流6 mA，最大發射電流26 mA，工作電壓為3.3 V。

1.2 整體設計方案

該系統以單片機為核心，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構和溫度控制。使用鋁盒作為機盒，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的可靠性，系統中加入了看門狗芯片，防止單片機由于干擾造成程序跑飛而陷入某一程序段進入死循環時，對激光器造成不可恢復的傷害[4]。此外，用繼電器的常閉觸點并聯到激光器兩端，把激光器短路，對其進行保護。當通電時，繼電器常開觸點吸合，激光器開始工作。

圖1 系統總框

1.3 脈沖源

本系統以89C51單片機為控制核心,與其它器件組成通用設計模塊[5]，通過DA轉換芯片輸出電壓，再通過運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

由于采用便攜式設計，本系統采用鋰電池供電，為防止干擾，電路數字部分和模擬部分供電電源用磁珠隔離，電壓經過穩壓模塊對單片機供電[6]。由于固態半導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增益，而放大倍數β又取決于溫度與基極電流的大小，這樣很不利于系統的穩定，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)為系統給定值，c(t)為實際輸出，u(t)為控制量。

圖3 PID控制器原理框圖

圖3所示PID控制器表達式為：

式(1)中，e(t)為系統偏差，e(t)=r(t)-c(t)，u(t)為控制量；kp為比例系數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。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節驅動電壓，從而實現電流的穩定輸出。

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、缺陷的產生和富集，使得激光器內非輻射復合增加，從而降低激光器的轉化效率，劣化激光器的光電特性甚至突然失效；同時，溫度對晶體的轉化效率也有很大影響，在適宜的溫度環境下，晶體的轉化效率達到最高[8]。通過實驗測得，473 nm的固態半導體激光器在25℃時，輸出功率達到最大，故用溫度控制器將其控制在25℃。

本系統中用熱敏電阻（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)是利用帕爾貼效應制成的固體熱泵，具有體積小、重量輕、無噪音等優點。為了更好地散熱，增加散熱面積和選用比較好的導熱材質尤為重要。本系統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熱性的影響，在各接觸層之間均勻涂抹了一層導熱硅脂。

溫度控制電路如圖4所示，該模塊設計中運用橋式電阻將熱敏電阻的阻值與一個可調電阻進行比較，從而最終使溫度達到一個動態的穩定平衡狀態[9]。

圖4 溫度控制器原理圖

1.5 軟件部分

軟件由發射部分和接受部分2部分組成，每個部分又由若干個子程序模塊構成。對于發射器部分，需要有按鍵識別、屏幕顯示、看門狗、數據處理以及信號發送等。對于接收器部分，需要數據監聽、數據處理以及脈沖控制等。

在系統上電后，首先進行初始化設置，即對ZigBee模塊的相關I/O口、寄存器初始化，設置工作頻率、工作模式等。當路由節點加入網絡后，主動掃描信道，在有協調器的網絡中發起連接請求，當得到協調器的入網許可后，分配給路由器16位網絡短地址，然后對信道進行監聽。當檢測有數據包發送時，進行相應的處理。圖5和圖6分別為接收部分脈沖源的軟件流程圖和發送器的軟件流程圖。

在接收系統中，是否接收到數據是靠單片機的串口中斷來判斷的，監測數據時打開串口中斷，等接受完所有的指令后關閉中斷。對接收到的數據經程序解碼和處理后，由單片機進行控制。

圖5 脈沖源軟件流程

圖6 發送器軟件流程

2 系統實現

在激光器內部，由自己設計的支架調節并固定住激光器與光纖準直透鏡的位置與角度，使激光平行入射到光纖準直透鏡的中心處，激光通過光纖耦合輸出。光纖準直透鏡與 TEC之間進行熱絕緣處理[10]，防止溫度變化造成機械形變，進而影響光路。由實驗測得，其耦合效率可以達到80%。

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

圖7 激光器工作實物

在以后的工作中，各項性能指標還有待提高，而且會朝著小型化、高穩定、長續航的方向發展。同時為了滿足科研的需要，該激光器將不僅輸出可調節激光，而且還可以監測生物體的各項生命特征。依托于ZigBee的自組網技術，可以組建一個更加智能、可調控的網絡，從而可以控制和反映一個生命群體的各項生命特征。

3 結語

本系統采用了通用器件設計的脈沖源，降低了生產成本, 并且各項指標均達到激光器驅動電源性能, 具有很好的實際應用價值。溫度的全自動化智能控制,保證其有一個相對穩定的溫度環境,在激光器進入正常工作溫度范圍后,可以保持連續不間斷的運行。實驗結果表明, 該脈沖源具有使用方便、穩定性高、功率設定值數字可調、溫控設定值可調、安全可靠等優點, 可廣泛應用于科研和生產當中。此外，在其它領域，如無線激光探測、無線激光切割以及醫學等領域中都有著廣闊的應用前景。

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