基于ZigBee远程控制的激光光源系统

汪 洋， 王海龙， 龚 谦， 陈 朋， 柳庆博

（①曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165；②中科院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050）

0 引言

随着科学技术的发展，激光器已经深入到生活的各个方面，包括科学研究领域。人类、啮齿类动物和猴子的研究表明，感光视蛋白受体灵敏度最高的光线波长范围为459～485 nm[1]，其中以473 nm波长为最高吸收峰值。大量实验表明，以特定频率的脉冲激光照射被移植基因的核团后，会释放出大量可以抑制癫痫发病的蛋白。如果将可调制激光器小型化并安装在动物身上，那么可以用来研究激光对动物行为学的影响。而传统的可调制激光器体积比较大且需要交流电源供电，使其无法应用在移动领域。本文设计了一种无线便携式的可遥控激光器，填补了激光器在移动领域的空白，并将其应用于动物行为学的研究。从长远的角度看，未来的超小型激光器将会安装到人体内，通过自反馈网络，治疗癫痫等神经性疾病。

1 系统结构设计

1.1 ZigBee技术

ZigBee（IEEE 802.15.4）技术是为了满足个人区域网络而提出的无线通信标准，它同蓝牙、WIFI等一样，同属于无线个人区域网络的范畴。与蓝牙、WIFI相比，它的传输速率比较低，但优点也很多：功耗小，协议简单，成本低,网络容量大,时延短[2]。同时，ZigBee具有自组网功能，设备可以作为发起设备，也可以是终端设备。本系统中，采用了上海斐盈电子公司的FY433-MO1-500模块，以直序扩频调制方式，空旷传输距离为300～500米，待机电流6 mA，最大发射电流26 mA，工作电压为3.3 V。

1.2 整体设计方案

该系统以单片机为核心，控制输出电流的大小及波形，并且与ZigBee模块串口相连，接收无线信号指令，如图1所示，为该系统的总模型框图。由于激光器受温度影响较大，故需要良好的散热结构和温度控制。使用铝盒作为机盒，与激光器的散热器直接相连，增加其散热性能，并且在天线接收处，用塑料板替换铝板，增强了电磁场与天线的耦合[3]。激光器是比较昂贵的器件，其安全性问题将影响整个系统的可靠性，系统中加入了看门狗芯片，防止单片机由于干扰造成程序跑飞而陷入某一程序段进入死循环时，对激光器造成不可恢复的伤害[4]。此外，用继电器的常闭触点并联到激光器两端，把激光器短路，对其进行保护。当通电时，继电器常开触点吸合，激光器开始工作。

图1 系统总框

1.3 脉冲源

本系统以89C51单片机为控制核心,与其它器件组成通用设计模块[5]，通过DA转换芯片输出电压，再通过运算放大器的一级放大和三极管的二级放大，得到所需要的电流。其电路原理图如图2所示。

图2 脉冲源电路原理

由于采用便携式设计，本系统采用锂电池供电，为防止干扰，电路数字部分和模拟部分供电电源用磁珠隔离，电压经过稳压模块对单片机供电[6]。由于固态半导体激光器的工作电流比较大，约为1.5 A，所以三极管在放大电流时会放出很大的热量，对三极管造成损伤。通过在三极管上加散热片和并联三极管的方式，使集电极的电流分流，从而减少了每个三极管的负载。

从三极管基本共射级放大电流公式 Ic=β•Ib可以看出这是一个开环增益，而放大倍数β又取决于温度与基极电流的大小，这样很不利于系统的稳定，故在输出端加入比例-积分-微分（PID，Proportional-Integral-Derivative）反馈控制器[7]，其原理图如图3所示，其中r(t)为系统给定值，c(t)为实际输出，u(t)为控制量。

图3 PID控制器原理框图

图3所示PID控制器表达式为：

式(1)中，e(t)为系统偏差，e(t)=r(t)-c(t)，u(t)为控制量；kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。通过比例、积分、微分的相互作用，使激光器的反馈电流信号及时有效的调节驱动电压，从而实现电流的稳定输出。

1.4 温度控制

温度对激光器的影响很大，激光器管芯温度的升高会造成管芯材料位错、缺陷的产生和富集，使得激光器内非辐射复合增加，从而降低激光器的转化效率，劣化激光器的光电特性甚至突然失效；同时，温度对晶体的转化效率也有很大影响，在适宜的温度环境下，晶体的转化效率达到最高[8]。通过实验测得，473 nm的固态半导体激光器在25℃时，输出功率达到最大，故用温度控制器将其控制在25℃。

本系统中用热敏电阻（NTC 10k）探测激光器的温度，并用热电制冷器（TEC1-12706）来控制激光器的温度。热电制冷器(TEC, Thermo Electric Cooler)是利用帕尔贴效应制成的固体热泵，具有体积小、重量轻、无噪音等优点。为了更好地散热，增加散热面积和选用比较好的导热材质尤为重要。本系统中的散热片采用的是加工后的电脑CPU散热器并和装置外壳紧密接触，激光器、热沉、TEC和散热片紧紧的贴在一起，为了隔绝空气薄层对导热性的影响，在各接触层之间均匀涂抹了一层导热硅脂。

温度控制电路如图4所示，该模块设计中运用桥式电阻将热敏电阻的阻值与一个可调电阻进行比较，从而最终使温度达到一个动态的稳定平衡状态[9]。

图4 温度控制器原理图

1.5 软件部分

软件由发射部分和接受部分2部分组成，每个部分又由若干个子程序模块构成。对于发射器部分，需要有按键识别、屏幕显示、看门狗、数据处理以及信号发送等。对于接收器部分，需要数据监听、数据处理以及脉冲控制等。

在系统上电后，首先进行初始化设置，即对ZigBee模块的相关I/O口、寄存器初始化，设置工作频率、工作模式等。当路由节点加入网络后，主动扫描信道，在有协调器的网络中发起连接请求，当得到协调器的入网许可后，分配给路由器16位网络短地址，然后对信道进行监听。当检测有数据包发送时，进行相应的处理。图5和图6分别为接收部分脉冲源的软件流程图和发送器的软件流程图。

在接收系统中，是否接收到数据是靠单片机的串口中断来判断的，监测数据时打开串口中断，等接受完所有的指令后关闭中断。对接收到的数据经程序解码和处理后，由单片机进行控制。

图5 脉冲源软件流程

图6 发送器软件流程

2 系统实现

在激光器内部，由自己设计的支架调节并固定住激光器与光纤准直透镜的位置与角度，使激光平行入射到光纤准直透镜的中心处，激光通过光纤耦合输出。光纤准直透镜与 TEC之间进行热绝缘处理[10]，防止温度变化造成机械形变，进而影响光路。由实验测得，其耦合效率可以达到80%。

图7为正在工作中的遥控激光器，并且经过测试，它的光纤输出功率最大为 20 mW，频率 0～500 Hz可调，最小占空比可达 0.03%，功率稳定度＜10%，工作温度为10～30℃，光斑模式为TEM00，FC/PC光纤接头，最远实测遥控距离300 m，最长续航时间约为3～4小时。

图7 激光器工作实物

在以后的工作中，各项性能指标还有待提高，而且会朝着小型化、高稳定、长续航的方向发展。同时为了满足科研的需要，该激光器将不仅输出可调节激光，而且还可以监测生物体的各项生命特征。依托于ZigBee的自组网技术，可以组建一个更加智能、可调控的网络，从而可以控制和反映一个生命群体的各项生命特征。

3 结语

本系统采用了通用器件设计的脉冲源，降低了生产成本, 并且各项指标均达到激光器驱动电源性能, 具有很好的实际应用价值。温度的全自动化智能控制,保证其有一个相对稳定的温度环境,在激光器进入正常工作温度范围后,可以保持连续不间断的运行。实验结果表明, 该脉冲源具有使用方便、稳定性高、功率设定值数字可调、温控设定值可调、安全可靠等优点, 可广泛应用于科研和生产当中。此外，在其它领域，如无线激光探测、无线激光切割以及医学等领域中都有着广阔的应用前景。

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[10]DEMKO J A, FESMIRE J E, AUGUSTYNOWICZ S D.Design Tool for Cryogenic Thermal Insulation Systems[C].USA:American Institute of Physics, 2008:145-151.