數(shù)字式半導體激光器恒流驅動器的上位機控制方法研究

隋欣，高福斌，田小建

（吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春130012）

數(shù)字式半導體激光器恒流驅動器的上位機控制方法研究

隋欣，高福斌，田小建

（吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春130012）

論文以改進大功率半導體激光器恒流驅動器的穩(wěn)定性和易操作性為目的，對基于USB接口的串口通信技術進行了研究，并利用面向對象編程的MFC編程模塊成功編譯了具有上位機控制功能的系統(tǒng)軟件。論文的主要內容如下：1）從硬件角度分析現(xiàn)有的大功率半導體激光器恒流源的工作原理，剖析其負反饋電路的工作方式，并制定出上位機控制的基本方案。2）結合MFC編程軟件，建立界面友好、功能全面的上位機控制軟件。3）應用上位機控制軟件，對不同的工作模式下的恒流源工作時電流進行采樣，并利用Matlab對所得數(shù)據(jù)進行處理分析，實現(xiàn)對恒流源的穩(wěn)定性測試。

半導體激光器；驅動電源；上位機控制；穩(wěn)定性測試

半導體激光器以其體積小、運行時間長、準確性高等一系列優(yōu)點，一直在軍事科技、工業(yè)生產(chǎn)、激光通信等科研領域占有舉足輕重的地位。近年來，國內外工作人員對激光電源進行了深入的研究。但是，工業(yè)生產(chǎn)的各種產(chǎn)品和研究中，半導體激光器恒流驅動器都存在著操作繁瑣和不能與計算機良好通信等關鍵技術難題。當前，各種通信及移動終端設備飛速發(fā)展，若半導體激光器恒流驅動器仍不能夠由計算機來遠程控制，勢必會成為其發(fā)展道路上的阻力。因此，設計一款可以由計算機來遠程控制的半導體激光器恒流驅動器變得尤為重要。

為了解決以上問題，即實現(xiàn)半導體激光器恒流源的上位機控制問題，本文在原半導體激光器恒流源的基礎上，從硬件角度分析其工作原理，利用MFC（MicrosoftFoundationClasses）編程軟件，完成了界面友好、功能全面的上位機控制軟件的編寫與設計工作，成功地改進了半導體激光器恒流源，使其具有了可以由計算機遠程控制的功能。

1　恒流源的工作原理及硬件基礎

數(shù)字式半導體激光器恒流驅動器主要由兩個部分組成，一個部分是以計算機和單片機為主的控制部分，另一個部分則是由外圍電路組成的功能模塊部分［1］。在設計中，半導體激光器恒流驅動器整體上是運用串口通信原理，將上位機控制代碼通過RS232接口傳輸?shù)街骺匦酒弦赃_到控制恒流驅動器的目的［2］。圖1為半導體激光器恒流驅動器的系統(tǒng)工作原理框圖［3］。

當由計算機遠程控制半導體激光器恒流源時，從計算機輸入一串特定的符合本機通信協(xié)議的十六進制代碼，單片機接收到此段代碼，主控芯片將根據(jù)通信協(xié)議自動校驗并識別此數(shù)據(jù)鏈內的有效信息，在校驗無誤之后按照通信協(xié)議中指定的信息，將P0口按照指定次序賦予低電平，激活控制某一模塊功能切換的源函數(shù)，達到遠程控制半導體激光器恒流驅動器的目的。

圖1　半導體激光器恒流源的系統(tǒng)工作原理圖Fig.1Structure diagram of the system

2　上位機控制的設計與實現(xiàn)

2.1通信協(xié)議的編寫

串口通信控制程序的主流程圖如圖2所示［4］。當Flag置1，串口中斷關閉。串口通信的控制程序主要由以下幾個步驟組成：

1）確定T1工作方式（設置TMOD）：TMOD=0x20；//定時器1工作方式2；

2）計算T1的初值（裝載TH1，TL1）：一般默認設置SM0= 0，SM1=1為工作方式1；

根據(jù)公式（1）（2）設置TH1；

3）啟動TI（TCON寄存器中的TR1位）

TCON：可以通過設置此寄存器里面的相關位，讓定時器開啟或關閉（TR0、TR1，1：開啟，0：關閉），由于這里我們使用的是定時器1，因而是TR1=1；

4）確定串行口控制，SCON寄存器設置（REN，SM0，SM1）

SCON寄存器工作參數(shù)設定

?

當REN=1，允許串口傳輸數(shù)據(jù)［5］

SM0 SM1方式功能說明

000同步移位寄存器方式（用于擴展I/O口）

0 1 1 8位異步收發(fā)，波特率可變（由定時器控制）（最常用）

1029位異步收發(fā)，波特率為fosc/64或fosc/32

1139位異步收發(fā)，波特率可變（由定時器控制）

5）設置中斷EA ES

當EA置0時所有的中斷都不響應；當ES置0時只有串口中斷不響應。

2.2上位機可視化界面的編寫與設計

為了實現(xiàn)由計算機直接有效地控制半導體激光器恒流源的功能，本文選用Microsoft Foundation Classes（簡稱MFC），以C++為基本編程語言來編寫了視圖的可視化界面［6］。此上位機軟件主要具備兩大功能：一、可以在計算機端直接控制恒流源的電流值；二、通過RS232接口的串口通信功能，將包含了電流信號的數(shù)據(jù)進行整理，并按照指定路徑輸出為.dat文件。

圖2　通信協(xié)議的主程序流程圖Fig.2Flow chart the software design

設計過程如下：

1）首先建立MFC AppWizard任務，工程命名為High_ Power_Controlling。

2）編輯操作界面并在其中插入串口通信C++模塊Microsoft Communication Control以實現(xiàn)與單片機通信功能，在此項目中所采用的接口為USB 2.0接口的COM3接口。

3）定義通信模塊的接口編號（com3），并對各個功能按鍵進行定義，定義功能鍵時同樣需要調用封裝在MFC函數(shù)庫中的C++的類函數(shù)，根據(jù)按鍵的功能不同，所調用的類函數(shù)也不盡相同。

4）編寫按鍵功能程序代碼，編寫按鍵功能邏輯，通過不同的按鍵邏輯激活不同的十六進制代碼，在數(shù)據(jù)鏈校驗無誤后單片機才會通過控制端口的電平高低來實現(xiàn)模塊的控制。

5）將按鍵功能代碼以及通信模塊代碼與主程序關聯(lián)，也就是將帶有按鍵功能的類函數(shù)應用于MAIN函數(shù)中，實現(xiàn)類函數(shù)的預編譯。

6）編譯通過，程序無錯誤。

經(jīng)此過程編寫得出的上位機可視化界面如圖3所示。實際實驗操作過程如圖4所示。

圖3　上位機可視化界面Fig.3Computer visualization interface

3　性能測試與分析

原半導體激光器恒流源并不具有與計算機通信的功能，現(xiàn)經(jīng)過實驗完成了半導體激光器的上位機控制，單片機可以將負載上接的取樣數(shù)據(jù)保存成.dat文件，再通過MATLAB的數(shù)據(jù)處理功能來處理包含了電流信號的.dat文件，實現(xiàn)了恒流源穩(wěn)定性測量的功能。

圖4　上位機控制實驗Fig.4The computer control experiment

3.1短期穩(wěn)定性測試

選取80 mA的輸出電流，并選用1 Ω/10 W的電阻做負載，在20℃和28℃的情況下分別觀察輸出電流在一定時間內的穩(wěn)定性情況，得出圖5。從圖上可以看出，在300 s的時間內，輸出電流有約0.1 mA的下降，這個下降是由負載發(fā)熱阻值變化引起的。在20℃的情況下，大約200 s左右，電流值發(fā)生變化；但在28℃情況下，系統(tǒng)大約110 s時發(fā)生電流值的改變。這是由于高溫情況下，負載發(fā)熱嚴重，且不能很好散熱所導致的。

圖5　短期穩(wěn)定度測試（80 mA）Fig.5Short term stability test（80 mA）

3.2長期穩(wěn)定度測試

短期測試合格僅僅代表了激光恒流源驅動器在上位機控制之下能實現(xiàn)預期的功能，性能方面的穩(wěn)定性仍需要長期的實驗來驗證，圖6所示為激光恒流源驅動器的8小時性能穩(wěn)定度測試結果。此穩(wěn)定度測試試驗中，我們選取了80 mA為測試電流，取恒流源工作時的16個樣點，并以這些樣點為依據(jù)，擬合出代表電流變化的平滑曲線。根據(jù)電流值穩(wěn)定度的計算公式其中I0為電流的平均值，其值為80.001 25 mA，經(jīng)代入計算可得半導體激光器恒流驅動器的穩(wěn)定度為207 ppm。因此可以得出結論，由上位機控制的半導體激光器恒流源具有較好的穩(wěn)定性，同時在操作上簡化了操作步驟，節(jié)省了人力資源。

圖6　長期穩(wěn)定度測試Fig.6Long term stability test

4　結束語

論文主要針對半導體激光器恒流驅動器，解決了非程控恒流源無法與計算機進行實時通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，加強了大功率激光器恒流源的可操作性，真正實現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)可控，并且增加了該恒流源的上位機控制功能。通過上位機控制軟件，可以大大優(yōu)化半導體激光器恒流驅動器的測試工參考文獻：

作，減少了測試工作人員的工作量，使得操作更加簡便可行。設計主要通過利用C語言來編寫數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，同時利用MFC編程軟件設計制作了界面友好、功能全面的上位機控制界面。在設計中考慮到半導體激光器對電流、溫度、功率等條件的嚴苛要求，實驗過后對恒流源穩(wěn)定性進行了測試，證明了由計算機控制該半導體激光器恒流驅動器前后對該儀器的性能沒有產(chǎn)生不良影響。

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Design of PC control on digital semiconductor laser driver

SUI Xin，GAO Fu-bin，TIAN Xiao-jian
（College of Electronic&Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China）

This paper aims to improve the stability and easy operation of digital semiconductor laser driver.The serial communication technology based on USB interface is studied.At the same time，the use of object-oriented programming MFC programming module is successfully compiled with the system software of PC control function.The main contents of this paper are as follows：1）Analyzing the working principle of digital semiconductor laser driver from the perspective of hardware，and analyze its negative feedback circuit working mode，and to develop the basic scheme of PC control.2）Using MFC programming software to establish user-friendly，full-featured PC control software.3）Applying PC control software，sample on different working mode of semiconductor laser driver working current，and analyze the obtained data by using Matlab to achieve the stability study of semiconductor laser driver.

semiconductor laser diode；drive power；PC control；stability test

TN86

A

1674－6236（2015）24-0016-03

2015-03-09稿件編號：201503116

隋欣（1988—），女，四川成都人，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)通信與計算機接口技術。