激光电源的数字控制系统
激光电源目前普遍采用普通晶闸管调相整流方式,并用电位器手动调节输出电流,系统的动态响应时间为几十ms,对于弧光放电的较高频率扰动,这种方式无法做出快速响应,致使激光功率的随机波动一般大于5%,降低了光束死亡品质,限制了激光的应用场合.另外,当加工过程中需要调整激光输出的周期、脉宽时,只能由手动调节,无法用计算机实现同步控制,降低了加工工艺、加工精度和自动化程度.随着功率电子器件的发展,尤其是20世纪80年代的新型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的出现,再加上微机技术的不断提高和推广,促进了微型计算机测量与控制技术的迅速发展和广泛应用.将PWM开关电源技术与新型的单片机控制引入激光电源,能有效提高整机的性能价格比,简化激光电源的硬件结构,大大增强了整机的自动化程度和功能扩展能力.从而方便地实现对激光电源的计算机控制与管理.
1系统的总体设计
从图1可以看出,整个系统可以分为主电路和控制电路两大部分,其中主电路包括逆变充电回路、放电回路、保护电路、预燃电路等.当电源上电后,首先启动预燃电路,使氙灯预燃,进入辉光放电状态.氙灯预燃稳定后,自动给控制电路上电,使整个电源系统工作.系统控制单元的核心是完成控制任务所必备的关键电路,它包括主从CPU、数模转换器、RS232接口电路以及键盘、显示等. 
控制单元的功能可以由纯模拟电路方式和混合电路方式实现.前者采用纯模拟电路结构产生各种控制信号,频率及幅度的调节由切换转换开关和调节电位器来实现.其电路稳定度较高,但电路结构较复杂,遥控功能较弱,扩展接口能力差.后者采用了单片机及模拟电路的混合结构,电路结构相对简单、稳定性高、可控性好、接口功能很强.在设计中采用了这种电路结构.
2主电路
主电路[1]将市电直接整流滤波成直流电压,经脉冲调制器产生一对相位互差180°的脉冲电压控制直流变换器的开关元件V1～V4,将直流转换成高频方波,再经高频整流给储能电容C0充电,达到预定值之后,控制电路发出信号使氙灯外触发,将放电晶闸管触发导通,C0通过氙灯放电,达到向激光器提供能量的目的.主电路如图2所示.在逆变充电网络中,V1、V2、V3、V4为逆变开关,采用功率MOS2FET组成全桥电路.其中MOSFET的控制电路由SG3525A为核心构成,芯片输出两组反相信号,经变压器隔离后分别驱动V1、V3和V2、V4. 
3控制单元
主从CPU的选择
本设计中采用了“主从CPU”的单片机系统方案.其结构如图3所示.系统的控制指令由两片CPU发出,同时从CPU又受控于主CPU.主CPU及其相关电路置于控制盒内,负责系统的显示、按键以及向从CPU发送数据等任务;从CPU置于主机箱内,负责接收由主CPU发送过来的数据,然后完成向数模转换器发送数据、产生周期脉冲信号等任务.在这个过程中,由于数据传送距离较远,主从CPU之间是通过RS232接口进行串行通讯的. 
数模转换电路
单片机对激光电源的控制,其核心为D/A转换电路,即把设置的数字量转换为激光电源主电充电电压的模拟量.从CPU接收到主CPU发送过来的幅度调节信号是12位的数字量,要通过数模转换电路转换为相应的模拟量,才能控制后级电路. 
双机通讯接口
主从CPU之间数据是通过两个单片机的串口来通讯的.MCS251的串行口和其它标准串行接口芯片一样,输入输出均为TTL电平.这种TTL电平传送数据的方式,抗干扰性差,传输距离短.如果两个单片机应用系统相距在1m之内,它们的串行口可直接相连,从而实现双机通讯;如果在1m之外,则需采用标准通讯接口进行通讯.本系统采用了标准串行接口RS232,波特率为9.6K. 
4控制单元外围电路
键盘
键盘有启动/停止、波形选择、功率预置、增量、减量5个按键,可设定功率、频率、脉宽、脉冲数的预置值.五个键优先级从高到低依次是启动/停止、波形选择、功率预置、增量、减量.上电时,波形选择、功率预置、增量、减量键有效.当增、减键被连续按下时,增、减的速度会自动加快,以便能尽快的达到所需要的值.上电5s以后,启动/停止键有效,当系统处于运行状态时,仅启动/停止键有效。
显示用LCD显示输出频率、输出脉宽、输出脉冲数.在待机状态下,显示当前的频率、脉宽、输出脉冲数值;当处于预置状态时,LCD显示块闪烁,如果此时有增、减键按下,将增减相应值;当处于报警状态时,显示器显示“error”并且闪烁。
5软件设计
本系统软件[5]由若干程序模块,包括初始化模块、键盘管理模块、显示模块、查表模块等组成,主程序流程图如图6所示. 
结束语
该系统可输出连续、单脉冲、重复脉冲功能,功率输出从0～50W连续可调,脉冲脉宽小.可预置工作参数,精确控制手术范围、深度等,是智能化医疗设备.激光束输出功率精确、稳定,医生操作更安全.激光输出功率和照射时间在面板上由数字显示,直观方便,为医务人员总结临床资料提供正确的数据.激光输出时,控制面板上各功能按键有对应指示灯显示,提高了操作的安全性.
1系统的总体设计
从图1可以看出,整个系统可以分为主电路和控制电路两大部分,其中主电路包括逆变充电回路、放电回路、保护电路、预燃电路等.当电源上电后,首先启动预燃电路,使氙灯预燃,进入辉光放电状态.氙灯预燃稳定后,自动给控制电路上电,使整个电源系统工作.系统控制单元的核心是完成控制任务所必备的关键电路,它包括主从CPU、数模转换器、RS232接口电路以及键盘、显示等.
2主电路
主电路[1]将市电直接整流滤波成直流电压,经脉冲调制器产生一对相位互差180°的脉冲电压控制直流变换器的开关元件V1～V4,将直流转换成高频方波,再经高频整流给储能电容C0充电,达到预定值之后,控制电路发出信号使氙灯外触发,将放电晶闸管触发导通,C0通过氙灯放电,达到向激光器提供能量的目的.主电路如图2所示.在逆变充电网络中,V1、V2、V3、V4为逆变开关,采用功率MOS2FET组成全桥电路.其中MOSFET的控制电路由SG3525A为核心构成,芯片输出两组反相信号,经变压器隔离后分别驱动V1、V3和V2、V4.
主从CPU的选择
本设计中采用了“主从CPU”的单片机系统方案.其结构如图3所示.系统的控制指令由两片CPU发出,同时从CPU又受控于主CPU.主CPU及其相关电路置于控制盒内,负责系统的显示、按键以及向从CPU发送数据等任务;从CPU置于主机箱内,负责接收由主CPU发送过来的数据,然后完成向数模转换器发送数据、产生周期脉冲信号等任务.在这个过程中,由于数据传送距离较远,主从CPU之间是通过RS232接口进行串行通讯的.
单片机对激光电源的控制,其核心为D/A转换电路,即把设置的数字量转换为激光电源主电充电电压的模拟量.从CPU接收到主CPU发送过来的幅度调节信号是12位的数字量,要通过数模转换电路转换为相应的模拟量,才能控制后级电路.
主从CPU之间数据是通过两个单片机的串口来通讯的.MCS251的串行口和其它标准串行接口芯片一样,输入输出均为TTL电平.这种TTL电平传送数据的方式,抗干扰性差,传输距离短.如果两个单片机应用系统相距在1m之内,它们的串行口可直接相连,从而实现双机通讯;如果在1m之外,则需采用标准通讯接口进行通讯.本系统采用了标准串行接口RS232,波特率为9.6K.
键盘
键盘有启动/停止、波形选择、功率预置、增量、减量5个按键,可设定功率、频率、脉宽、脉冲数的预置值.五个键优先级从高到低依次是启动/停止、波形选择、功率预置、增量、减量.上电时,波形选择、功率预置、增量、减量键有效.当增、减键被连续按下时,增、减的速度会自动加快,以便能尽快的达到所需要的值.上电5s以后,启动/停止键有效,当系统处于运行状态时,仅启动/停止键有效。
显示用LCD显示输出频率、输出脉宽、输出脉冲数.在待机状态下,显示当前的频率、脉宽、输出脉冲数值;当处于预置状态时,LCD显示块闪烁,如果此时有增、减键按下,将增减相应值;当处于报警状态时,显示器显示“error”并且闪烁。
5软件设计
本系统软件[5]由若干程序模块,包括初始化模块、键盘管理模块、显示模块、查表模块等组成,主程序流程图如图6所示.
该系统可输出连续、单脉冲、重复脉冲功能,功率输出从0～50W连续可调,脉冲脉宽小.可预置工作参数,精确控制手术范围、深度等,是智能化医疗设备.激光束输出功率精确、稳定,医生操作更安全.激光输出功率和照射时间在面板上由数字显示,直观方便,为医务人员总结临床资料提供正确的数据.激光输出时,控制面板上各功能按键有对应指示灯显示,提高了操作的安全性.
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