基于STM32的大功率光纖激光器控制系統設計

周永好

(中山火炬開發區理工學校，廣東 中山 528400)

0 引言

21世紀激光技術的飛速發展帶來了光纖激光器的廣泛應用。相對于傳統的激光器，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，是工業切割、焊接等領域理想的光源，廣泛應用于工業加工、醫療、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提出了越來越高的要求[1-3]。

國內外關于激光器控制系統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展現狀[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展現狀[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的全面研究。針對以上問題，本文基于STM32實現對大功率激光器控制系統的實現，該控制系統具有良好的交互性和實時性，通過串口通信發送數據到上位機，經過Qt Creator進行數據處理和檢測，在界面上直觀清晰顯示，并能夠對溫度、電流和PD等參數進行保護控制，確保光源的穩定[11-20]。

1 控制系統硬件設計

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硬件部分設計原則主要包括：

① 穩定性。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，確保了信號的穩定性[12-15]。

② 靈活性。本系統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控系統的工作狀態。

1.2 硬件總體設計

為了采集、處理和輸出信號，本系統采用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 控制系統硬件總體框圖

此系統主要分為電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、數據采集模塊和顯示模塊5部分。其中，電源模塊為硬件提供穩定工作電源，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，數據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，然后再經過OPA2340進行功率放大，增強驅動能力，再經過電阻分壓后，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過單片機內部自帶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。經過單片機內部DAC模塊處理后的恒流源電壓控制信號DAC經過驅動器OPA2340進行放大，增加驅動能力后，作為ADG801的數據輸入端，單片機輸出的PWM信號經過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，對其進行監控，保證激光器處于正常工作狀態[12]。

電流保護模塊：為保持激光器內部清潔，同時利用水路循環降溫，本系統采用水冷電源，通過壓控恒流源的方式驅動光譜泵源出光，使激光器產生穩定的功率。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

系統的軟件控制部分由2部分構成：基于STM32庫函數開發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，內部寄存器數量多，通用輸入輸出功能強大，自帶ADC和DAC轉換模塊。本系統以庫函數的方式編寫程序，調用封裝好的庫函數來驅動各個外設，同時參考寄存器開發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[16-20]。

2.1 基于STM32的應用程序設計

正常工作下，硬件控制系統主要是完成外圍電路的檢測、數據處理和數據輸出等多種功能。依據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，系統默認為外部觸發模式。當默認為外部觸發模式時，由外部信號觸發中斷完成出/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。出光時系統循環檢測溫度和電流，實時監控激光器的工作環境。其相應的外部觸發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[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，系統的所有參數均在界面上清晰、直觀地顯示。圖形界面左上部分顯示各種參數信息，包括功率來源、PWM來源和占空比等六大參數，當處于命令控制模式時，功率設置、頻率、占空比3個參數可通過該界面設定，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 系統仿真結果與結果分析

實驗測得產生不同波長激光的技術參數如表1所示。

表1 不同波長激光對應參數表

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組數據進行記錄，根據實驗統計結果分析，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，該控制系統能夠穩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控激光器工作的電流和溫度參數[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。同時該控制系統具有內外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，可推廣應用于工業過程控制和智能自動化控制領域[7]。