脉冲激光电源控制系统的输入输出接口设计

一台智能化程度较高的脉冲激光电源的功能如图1所示.
输入输出主要由开关量接口、按键控制声光报警单元组成,其中,声光报警单元主要是由开关量电路组成.本文重点讨论开关量接口和按键控制两部分的设计. 开关量接口设计
在激光电源的控制系统中,对激光器的水循环冷却装置的监测控制常常体现在对水温和水压的控制,当水温和水压达到一定的门限时系统报警,激光停止工作.由于单片微型计算机系统输入和输出的开关量为TTL(或CMOS电平),而这种电平不能直接驱动外部设备的开启或关闭[2].
另外,外部继电器(接触器)在开关的过程中会产生很强的电磁干扰信号,如不加以隔离,可能会导致单片机控制系统误动作以致损坏.因此,在接口设计处理中,一要放大,二要隔离.
这里采用光电隔离器作隔离器件,其原理如图2所示. 光电隔离器由GaAs红外发光二极管和光敏三极管组成.当发光二极管有正向电流通过时,产生红外光,光敏三极管经光照射后导通;当该电流撤去时,发光二极管熄灭,光敏三极管截止.光电隔离器的这种特性可达到开关控制的目的.由于该器件是通过电光电的转换来实现对输入输出进行控制的,彼此之间没有电气连接,因此起到隔离的作用.隔离电压与光电隔离器的结构有关.双列直插塑料封装式的隔离电压一般为2500V左右,陶瓷封装的隔离电压一般为(5000～10000)V,不同型号的光电隔离器的输入电流也不同,一般为10mA左右,其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力.本控制系统的开关量输入和输出如图3、图4所示.光电隔离器的输入、输出端两个电源必须单独供电. 按键接口设计
按键作为系统提供给操作人员的操作命令的接口,以特定的按键顺序代表特定的操作命令.单片机能否准确无误地判断每个键的动作以及其所处的状态,是系统能否正常工作的关键.由于多数按键是机械弹性开关,按键开关在闭合及断开的过程中必然会有一连串的抖动,如果处理不当,单片机就无法确认按键所处的状态,会造成整个系统的误动作.为了使单片机对每次按键能正确确认,必须消除抖动的影响[3].
消除按键的抖动可以从硬件和软件两方面着手来处理,这里只讨论硬件防抖的方法.硬件防抖电路有滤波防抖电路和双稳态防抖电路两种.
 
滤波防抖电路
滤波防抖电路是利用RC积分电路对干扰脉冲的吸收作用,选择合适的时间常数,来消除抖动的的影响.具体电路如图5所示.
当按键未按下时,电容C两端没有电压,非门输出高电平;当按键按下时,电容两端电压不会产生突变,R1,R2,C选取适当的值,保证电容C的充电电压不超过非门的开启电压,非门输出维持低电平.同样,当按键断开时,电容放电,电容的放电电压不超过非门的关闭电压,非门维持低电平.这样,就消除了按键抖动的影响. 双稳态防抖电路
用两个与非门接成一个RS触发器,可接成双稳态防抖电路(如图6所示).
当按键未按下时,按键的K端与A短接通,RS触发器的输出端Q为高电平,从而Q为低电平,此时与非门1锁定,输出为高电平;当按键按下时,在A端形成一连串的抖动信号,而Q端在K到B之前为低电平,因此Q端保持高电平.只有当K与B接通时,B端为低电平,RS触发器翻转,Q变为高电平,而Q变为低电平,并锁定与非门2,从而消除了按键按下时的抖动.同理,当按键释放时,只要K与A接通,Q输出低电平,双稳态电路的输出维持不变[4]. 本文设计的脉冲激光电源的输入输出电路,能有效地隔离外部高电压和控制系统的TTL电平,从而达到消除外界干扰的要求.按键防抖电路能有效地消除由于机械弹性而造成的抖动,提高了电源的稳定性.