基于DSP的半導體激光器電源控制系統設計

2018-09-10 08:27:25李曼金雁崔麗

計算機與網絡 2018年7期

關鍵詞：信號

李曼金雁崔麗

摘要：根據半導體激光器（LD）的特性，設計了一種以DSP為核心的半導體激光器電源控制系統。該系統針對本振激光器和功率放大模塊的泵浦源進行了設計，完成了對本振和放大泵浦模塊的溫度控制及本振和放大恒流源的控制，對高精度時序進行配置，實現了控制邏輯，并通過RS-422通信協議與人機界面進行信息交換。實驗表明，系統對半導體泵浦模塊溫度控制精度為±1℃，時序控制精度高，滿足設計要求，系統已投入工程化應用，可有效提高泵浦模塊的效率，改善能量穩定性。

關鍵詞：激光電源；DSP；溫控；RS-422

中圖分類號：TP368.1文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2018）07-68-4

Design of Semiconductor Laser Diode Power Control System Based on DSP

LI Man， JIN Yan， CUI Li（AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 100024， China）

0引言

半導體激光器具有效率高、結構緊湊、性能穩定及壽命長等優點，已經廣泛地應用在軍事、航空、空間激光通信系統和生物醫療等領域[1]。半導體激光器的廣泛應用，要求其電源控制系統不斷地發展和完善，故不同的應用領域對激光電源控制系統的要求存在很大的差異。

傳統的激光器設備主要由激光器和激光電源組成，激光電源是激光器的能源，為激光器泵浦模塊提供能量。激光器的能量、穩定性和波長，不僅取決于恒流源驅動電流的大小，而且受溫度的影響很大[2]，故激光電源控制系統是激光器必不可少的組成部分。本文中的半導體激光器，由本振作為種子光，采用一級放大的方式進行功率放大輸出激光，因此需要電源控制系統協同多路恒流源和溫度控制同步工作，實現操控邏輯、高精度時序控制及人機交換等功能。本文采用DSP為核心控制芯片，因為它具有電路簡潔、控制靈活及可擴展性強等優點，同時可將各種控制集中到一起，在減小電路體積和簡化電路的同時，也增強了系統的可靠性和穩定性[3]。

1系統原理

激光器電源控制系統原理如圖1所示。

激光器工作時，設定激光器合適的工作溫度，當控制單元采集的溫度達到設定溫度時，準備好指示燈亮，方可通過人機交互界面或外時鐘發送時鐘信號（激光發射指令），經過RS-422通信將發射命令送給激光器電源控制單元，當控制單元接收到激光發射指令后，將時鐘信號一路送給本振恒流源和放大恒流源，恒流源接收到時鐘信號后，輸出一個固定脈寬和恒定電流的脈沖信號驅動激光二極管泵浦模塊；另一路進行精確的特定延時后，送給電光調Q電路，直到延遲的調Q信號到來時，瞬時輸出窄脈沖和高峰值功率的激光。

半導體激光器電源控制系統選用TI公司的TMS320F2812作為核心控制芯片，是一款低價格高性能的控制器，有3個可屏蔽的外部中斷接口，具有豐富的存儲器資源、內置A/D轉換模塊和標準的I/O接口[4]。

DSP基本功能電路組成框圖如圖2所示，主要包括電源管理模塊、系統時鐘輸入模塊、異步串口模塊、光耦隔離模塊及I/O接口等。

①電源管理模塊采用TI公司的配置方便、輸出穩定的TPS767D318電源芯片，該芯片電壓輸入為5 V，為DSP提供Flash電壓3.3 V和內核電壓1.8 V的雙電壓輸出[5]。

②光耦隔離模塊采用前置專用的DC-DC隔離電路SUCS30505，將輸入電源進行隔離，后置高速光耦TLP559芯片，進行信號隔離，在提高傳輸速率的同時，也提高了整個電路的可靠性。

③異步串口通信模塊采用成熟可靠的MAX1482通信芯片，基于RS-422通信協議，具有低功耗和傳輸速率快的特點，滿足設計要求。采用JTAG在線編程的方式對DSP進行配置，便于程序在線調試。

2系統功能

2.1邏輯控制

系統通過操作面板實現邏輯控制，主要控制功能有3個。

①內時鐘工作：通過RS-422通信接口，向電源控制單元發射出光指令，工作頻率可1～20 Hz切換，同時通過LED反饋激光器工作狀態。

②外時鐘工作：利用外部開關切換至外時鐘，利用DSP外部中斷接口檢測外時鐘。

③自檢功能：通過按壓自檢開關，觸發激光器發射激光。

2.2高精度時序控制

激光器輸出能量的大小和穩定性與激光電源的高精度時序是密不可分的，必須確保電源控制系統輸出時鐘的精度及穩定性。

為實現μs級高精度控制邏輯，采用DSP控制芯片內置的PLL模塊完成高精度時序控制，鎖相環獨有的負反饋和倍頻技術可以提供高精度、穩定的頻率，DSP輸入時鐘30 MHz，倍頻到150 MHz，時鐘周期可達6.67 ns。通過精確的技術方法，按照設計的延時產生所需的各路時鐘，可以滿足高精度的時序配置要求。

2.3恒流源驅動控制

恒流源驅動控制原理如圖3所示。激光電源控制系統接收到激光發射的信號后，DSP輸出12位數字信號，通過DAC1230芯片，將數字信號轉換成相應的模擬參考電壓信號。恒流源電路中的采樣電阻R將通過泵浦模塊的電流轉換成相應的電壓，經過F放大電路后，與參考電壓進行比較，產生功率驅動信號，此信號控制功率管的開關。同時可通過DSP改變參考電壓的大小，實現恒流源電流的調節。激光電源控制系統還可通RS-422通信接口，遠程設置恒流源的電流和脈寬。

2.4溫度控制系統

溫度是影響激光器泵浦模塊輸出波長和泵浦效率的重要因素，故對泵浦模塊進行控溫是必不可少的[6]。半導體激光器一般采用半導體熱電致冷器（TEC）進行控溫，該制冷器具有無機械運動、無噪聲、無污染、體積小、可靠性高、壽命長、制冷迅速、冷量調節范圍寬及冷熱轉換快等特點。測溫元件采用電流輸出型溫度傳感器AD590，特點是工作直流電壓較寬，一般為4～30 V，輸出電流為223μA（-50℃）～423μA（+150℃），靈敏度為 1μA/℃[7]。

溫度控制系統通過溫度傳感器AD590測量到泵浦模塊的溫度并將溫度值轉化成電流值，經采樣電阻將電流值轉換成電壓值，通過放大電路將電壓信號放大后通過A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，DSP將采集到的數據和設定溫度進行比較和運算，調整輸出脈寬。

溫控電路采用MOS場效應功率管組成的全橋電路對半導體致冷片進行驅動控制，采用增量型數字PID算法來調整PWM脈寬輸出來改變其平均電流，當TEC器件有正向電流通過時，熱量從冷端流向熱端，TEC對泵浦模塊制冷；當TEC器件有反向電流通過時，熱量流動方向則相反，TEC對泵浦模塊加熱。因此需要控制器調節TEC器件電流方向來達到恒溫控制的目的，溫度控制結構圖如圖4所示。

3軟件設計

系統的軟件部分主要由主程序和溫度控制程序組成，主程序完成的功能是控制激光器的起停，當控制單元接收到出光信號后，同時溫度準備好，控制單元向本振和放大恒流源發送時鐘信號，同時經過固定的延時向控制單元送出電光調Q信號，激光器出光。當接收到停止發射指令，控制單元停止發射時鐘，激光器停止出光，主程序流程如圖5所示。

溫度控制程序是為激光器出光做準備，主要完成的功能是數據采集與處理，通過電流信號控制TEC的加熱制冷來控制泵浦模塊的溫度，讀取溫度及上報準備好的信號。根據半導體激光器泵浦模塊的工作特性，泵浦模塊的最佳工作溫度范圍為30℃左右，通過這種控制方式將溫度控制在30±1℃，溫度控制子程序流程如圖6所示。