基于AVR單片機的激光電源閉環控制系統設計

2017-12-29 00:00:00郭麗萍張艷榮林思苗

中國測試 2017年3期

摘要：為使激光器穩定輸出，采取控制驅動電流和溫度的設計方案，基于AVR單片機設計一種半導體激光器驅動電源控制系統。采用負反饋原理和閉環控制思想分別實現對驅動電流和溫度的控制，從而完成高性能半導體激光器的研制。采用AVR作為主控制芯片，以模數、數模等轉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：該系統能使激光驅動電路1 h內偏差為0.02%，穩定性良好，溫度控制偏差為±0.005 ℃。該電源控制系統可靠性高，可移植性強，具有較好的應用前景。

關鍵詞：激光器驅動電源；驅動電流；溫度；負反饋；閉環控制

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、醫療、通信、測量及軍事等領域得到廣泛應用。研究和開發新的激光器，至今仍是世界各國的研究熱門。半導體激光器（laser diode，LD）是一種電流注入式電致發光的二極管，外加電流使其產生大量電子和空穴，電子空穴的復合激發出新的光子。激光器合理的結構、合適的供電系統及溫控系統是激光器能夠安全可靠工作的3個關鍵因素。

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

本文針對我國目前不穩定、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上，發現驅動電流和溫度的穩定性直接影響激光器輸出的穩定性。因此，采用AVR單片機設計了高效的驅動電源控制系統。

1 總體結構框圖

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

2 激光器電源控制系統設計

總控系統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（controller area network，CAN）通信實現兩者參數、指令及實時數據的傳遞。利用CAN控制器可以實現單片機多機系統對等式通信[6]。

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

總控系統控制板控制聲光Q開關驅動電源的關斷和開啟，設置聲光Q開關重頻、脈寬，并監測其電壓、電流，從而保證聲光Q開關正常工作，它在激光光路中起到開關作用，把需要的激光釋放出來，把不需要的光鎖住。

同時，總控系統控制溫控電源的關斷和開啟，在溫控系統監測下，保證激光器系統正常工作。

3 激光器電源硬件電路原理圖

3.1 電流源設計

電流源[7]設計采用負反饋原理控制驅動電流的輸出，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控制思想。基本原理如圖2所示，這里，上位機預設電源的電流值，通過單片機、外部數模轉換（digital to analog converter，DAC）芯片，輸出電流控制信號；再經過放大器、功率放大電路、負載輸出驅動電流驅動激光器；同時，將與激光器串聯的負載兩端的電壓通過比例放大環節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，驅動電流I與設定的電壓Uset有如下關系：

由此可以看出驅動電流I與設定的電壓Uset成線性比例關系。可以通過調節負載R3的值，調節驅動電流的大小。

同時，對負載兩端的電壓值進行采樣轉換，并將數據傳輸到單片機，在程序中根據該數據選擇一定的算法計算并調整輸出值，使實際值逼近給定值。

3.2 溫控系統設計

精確控制激光器的工作溫度可以實現激光器輸出穩定的波長[9]。半導體制冷器可制冷可加熱，與被控對象半導體激光器結合，可實現溫度的改變，這里將制冷器作為執行機構控制激光器的溫度。為了提高控制精度，采用閉環負反饋溫控系統，結構如圖3所示，單片機以溫度設定值和采樣值之差作為控制信號，控制制冷器，從而實現對溫度的自動控制。溫控系統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，經過運算放大器，進入模數轉換（analog to digital converter，ADC）芯片，送入AVR單片機。在AVR單片機編程環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一段時間的電流浪涌情況下會導致輸出功率下降甚至損壞，一個可靠的防護系統就顯得至關重要。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，一旦觸發中斷，則跳轉到中斷服務程序，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 激光器電源軟件設計

4.1 控制系統軟件設計

軟件設計主要實現對半導體溫控系統和激光器輸出參數等進行采集、數據判斷和控制。工作狀態轉移圖如圖6所示，整體包括以下功能：狀態及參數檢測、工作參數傳遞及輸出條件判斷、激光器正常輸出、激光器異常報警。

電源控制系統的軟件設計采用狀態機方式[11]，整個流程主要分為自檢態、待機態、輸出態、故障態4個狀態。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。在自檢態中打開溫控電源，傳遞來自上位機的工作參數，并判斷溫控系統電壓、電流、溫度是否達標。如果監測的各指標符合激光器出光條件后，進入待機狀態，在待機態中，監測各電源的電壓、電流、溫度。如果出現故障，進入故障態；如果接收到激光器輸出指令，則打開Q開關、LD泵浦電源，30 min定時開始，進入輸出態。在輸出態，監測各工作參數，如果有故障，關閉電源，進入故障待機狀態；如果接收到PC機的輸出停止命令或者30 min定時到，則關閉LD泵浦電源，回到待機狀態。在故障態，報警相應故障。如果接收到來自PC機的故障復位指令，則回到自檢態。

4.2 上位機軟件設計

為模擬調試系統，實現指令（包括激光器系統工作參數、故障復位等）的設置和顯示等功能，采用Visual C++軟件設計了激光器上位機監控界面。具體流程圖如圖7所示。

5 實驗結果

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

設置溫度與實測溫度差值關系如圖9所示，由此可見，溫度控制偏差為±0.005 ℃。

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

6 結束語

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

參考文獻

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[7] 曾博，李剛，韓帥，等. 一種抑制直流大電流源紋波的新型方法[J]. 中國測試，2016，42（2）：41-44.