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激光电源的单片机控制系统

近年来,各种各样的激光器已广泛用于工业加工及医疗设备等领域。半导体激光器的运行与驱动电源有很大关系,瞬态电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器。电流、温度的起伏也会引起光功率的变化,影响输出的准确、稳定。目前,商品化半导体激光器波长范围覆盖可见及红外,输出功率越来越大,有关驱动电源的问题更加受到重视。现有激光电源由于系统动态响应时间为几十毫秒,对于较高频率扰动无法作出准确响应,致使激光功率的波动达5 %以上,限制了激光的应用场合。
基于微型计算机的数字化控制能够有效的解决半导体激光器的准确、稳定和可靠性问题,数字化、智能化是半导体激光器的必然发展方向。使用单片机对激光电源进行控制,能有效地提高电源的性能价格比,简化激光电源的硬件结构,增强整机的自动化程度,为整机的功能扩展,提供了有利条件。我们采用80C51单片机与Altera公司的可编程器件7128芯片相结合,研制成功了新型的激光电源。本控制电路性能稳定,实用性强,有很高的抗干扰能力和较高的精度且能进行频率、脉宽调节,不仅适用于对各种激光电源的控制,而且适用于抗干扰要求较高的其它电源控制。
 
系统结构原理
半导体激光器对驱动电源有特殊要求,本系统主要实现电源驱动及保护、光功率反馈控制和恒温控制等功能,整个系统由单片机控制。光功率及温度采样模拟信号经放大后由A/ D转换为数字信号,送入CPU进行运算处理,反馈控制信号经D/ A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路,形成光功率和温度的闭环控制。
系统以中断方式实现对电源故障的自动检测,显示采用八段数码管自动显示有关激光电源的重要信息,如工作电压、电源故障等。本系统A/ D、D/ A转换器、数码管显示、键盘等所有外设接口均挂在单片机总线上,占用单片机数据存储器RAM空间,所有外设统一编址,地址译码电路由7128完成,由于单片机数据存储器空间充裕,通过扩充外设资源,即可实现多路、全方位控制。
 
激光电源的实现
电流源驱动
形发生器调整信号的幅值和电压经D/ A转换器,以满足LD调制所需的信号幅值和偏置电流的大小。在实际工作环境中,浪涌电流以及电网冲击等都会对半导体激光器造成永久性损坏或缩短其寿命。本系统一方面采用恒流源电路抑制浪涌电流,另一方面采用慢启动和慢关闭,使电源开和关引起的激光器工作电流的变化成为一种缓慢的变化。过流监测电路作用是当工作电流过大或高压冲击时迅速作出判断,并发出中断请求给单片机系统,CPU便将电流源输出电流降为零,从而实现过流保护。
 
温度控制
半导体激光器对温度很敏感,温度升高,阀值电流上升,导致输出光功率下降,波长增大。此外结温的升高还会增加LD内部缺陷,甚至影响寿命。结温的上升主要原因是注入的电能所产生的热耗散,因此需控制激光器的结温,使输出光功率和工作波长稳定。
考虑到半导体激光器比较小巧,因此温度控制器也应该有较小的体积,半导体致冷器能很好的满足这个要求。实用的热电制冷装置是由热电效应比较显著、热电致冷功率比较高的半导体热电偶构成的。温度控制见图1 ,温度传感器将测得温度转变为数字信号,经信号调整后送入单片机,处理后得出制冷器的驱动信号,调整数字电位器值,从而改变驱动电压,经功率放大后转换成电流驱动制冷器。
 温度控制图
功率控制
光功率反馈采用外部监测光电二极管的输出光电流,由运放放大再经A/ D转换后送CPU处理,得出控制量,经D/ A转换后输出给电流源,调整激光器的工作电流,从而进行激光功率闭环控制。
 
键盘
键盘由启动/停止、波形选择、功率预置、增量、减量五个按键,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L ED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,L ED显示块闪烁,如果此时有有增、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。
 
电源故障检测
利用中断方式实现激光电源故障检测,即把电源的短路、过流、过压等检测信号,通过80C51中断口输入,利用中断来实现对激光电源的各种保护控制,即当任一检测信号变成低电平时, CPU响应中断。如当检测到激光电源主电源过压时,CPU响应中断,然后执行中断处理程序,关断开关电源的信号,关断主电源开关及在L ED显示器上显示电源故障信息,即处于报警状态。
 系统框图
软件设计
本系统软件由若干程序模块组成,包括初始化模块,键盘管理模块、显示模块等组成,主程序流程图见图2。
 
结束语
借助单片机强大的控制和通信功能,本文介绍的半导体激光器驱动电源,具有结构简单、控制灵活、可扩展能力强,并实现了与PC或其它智能仪器通信等特点,且外设统一编址,大大增强了外设扩展能力。本系统经我校激光研究所试用近一年,性能稳定,完全达到科研机构对激光电源性能指标要求。
 
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