基于DSP的半导体激光器电源控制系统设计

2018-09-10李曼金雁崔丽

计算机与网络 2018年7期

李曼金雁崔丽

摘要：根据半导体激光器（LD）的特性，设计了一种以DSP为核心的半导体激光器电源控制系统。该系统针对本振激光器和功率放大模块的泵浦源进行了设计，完成了对本振和放大泵浦模块的温度控制及本振和放大恒流源的控制，对高精度时序进行配置，实现了控制逻辑，并通过RS-422通信协议与人机界面进行信息交换。实验表明，系统对半导体泵浦模块温度控制精度为±1℃，时序控制精度高，满足设计要求，系统已投入工程化应用，可有效提高泵浦模块的效率，改善能量稳定性。

关键词：激光电源；DSP；温控；RS-422

中图分类号：TP368.1文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）07-68-4

Design of Semiconductor Laser Diode Power Control System Based on DSP

LI Man， JIN Yan， CUI Li（AVIC Manufacturing Technology Institute， Beijing 100024， China）

0引言

半导体激光器具有效率高、结构紧凑、性能稳定及寿命长等优点，已经广泛地应用在军事、航空、空间激光通信系统和生物医疗等领域[1]。半导体激光器的广泛应用，要求其电源控制系统不断地发展和完善，故不同的应用领域对激光电源控制系统的要求存在很大的差异。

传统的激光器设备主要由激光器和激光电源组成，激光电源是激光器的能源，为激光器泵浦模块提供能量。激光器的能量、稳定性和波长，不仅取决于恒流源驱动电流的大小，而且受温度的影响很大[2]，故激光电源控制系统是激光器必不可少的组成部分。本文中的半导体激光器，由本振作为种子光，采用一级放大的方式进行功率放大输出激光，因此需要电源控制系统协同多路恒流源和温度控制同步工作，实现操控逻辑、高精度时序控制及人机交换等功能。本文采用DSP为核心控制芯片，因为它具有电路简洁、控制灵活及可扩展性强等优点，同时可将各种控制集中到一起，在减小电路体积和简化电路的同时，也增强了系统的可靠性和稳定性[3]。

1系统原理

激光器电源控制系统原理如图1所示。

激光器工作时，设定激光器合适的工作温度，当控制单元采集的温度达到设定温度时，准备好指示灯亮，方可通过人机交互界面或外时钟发送时钟信号（激光发射指令），经过RS-422通信将发射命令送给激光器电源控制单元，当控制单元接收到激光发射指令后，将时钟信号一路送给本振恒流源和放大恒流源，恒流源接收到時钟信号后，输出一个固定脉宽和恒定电流的脉冲信号驱动激光二极管泵浦模块；另一路进行精确的特定延时后，送给电光调Q电路，直到延迟的调Q信号到来时，瞬时输出窄脉冲和高峰值功率的激光。

半导体激光器电源控制系统选用TI公司的TMS320F2812作为核心控制芯片，是一款低价格高性能的控制器，有3个可屏蔽的外部中断接口，具有丰富的存储器资源、内置A/D转换模块和标准的I/O接口[4]。

DSP基本功能电路组成框图如图2所示，主要包括电源管理模块、系统时钟输入模块、异步串口模块、光耦隔离模块及I/O接口等。

①电源管理模块采用TI公司的配置方便、输出稳定的TPS767D318电源芯片，该芯片电压输入为5 V，为DSP提供Flash电压3.3 V和内核电压1.8 V的双电压输出[5]。

②光耦隔离模块采用前置专用的DC-DC隔离电路SUCS30505，将输入电源进行隔离，后置高速光耦TLP559芯片，进行信号隔离，在提高传输速率的同时，也提高了整个电路的可靠性。

③异步串口通信模块采用成熟可靠的MAX1482通信芯片，基于RS-422通信协议，具有低功耗和传输速率快的特点，满足设计要求。采用JTAG在线编程的方式对DSP进行配置，便于程序在线调试。

2系统功能

2.1逻辑控制

系统通过操作面板实现逻辑控制，主要控制功能有3个。

①内时钟工作：通过RS-422通信接口，向电源控制单元发射出光指令，工作频率可1～20 Hz切换，同时通过LED反馈激光器工作状态。

②外时钟工作：利用外部开关切换至外时钟，利用DSP外部中断接口检测外时钟。

③自检功能：通过按压自检开关，触发激光器发射激光。

2.2高精度时序控制

激光器输出能量的大小和稳定性与激光电源的高精度时序是密不可分的，必须确保电源控制系统输出时钟的精度及稳定性。

为实现μs级高精度控制逻辑，采用DSP控制芯片内置的PLL模块完成高精度时序控制，锁相环独有的负反馈和倍频技术可以提供高精度、稳定的频率，DSP输入时钟30 MHz，倍频到150 MHz，时钟周期可达6.67 ns。通过精确的技术方法，按照设计的延时产生所需的各路时钟，可以满足高精度的时序配置要求。

2.3恒流源驱动控制

恒流源驱动控制原理如图3所示。激光电源控制系统接收到激光发射的信号后，DSP输出12位数字信号，通过DAC1230芯片，将数字信号转换成相应的模拟参考电压信号。恒流源电路中的采样电阻R将通过泵浦模块的电流转换成相应的电压，经过F放大电路后，与参考电压进行比较，产生功率驱动信号，此信号控制功率管的开关。同时可通过DSP改变参考电压的大小，实现恒流源电流的调节。激光电源控制系统还可通RS-422通信接口，远程设置恒流源的电流和脉宽。

2.4温度控制系统

温度是影响激光器泵浦模块输出波长和泵浦效率的重要因素，故对泵浦模块进行控温是必不可少的[6]。半导体激光器一般采用半导体热电致冷器（TEC）进行控温，该制冷器具有无机械运动、无噪声、无污染、体积小、可靠性高、寿命长、制冷迅速、冷量调节范围宽及冷热转换快等特点。测温元件采用电流输出型温度传感器AD590，特点是工作直流电压较宽，一般为4～30 V，输出电流为223μA（-50℃）～423μA（+150℃），灵敏度为 1μA/℃[7]。

温度控制系统通过温度传感器AD590测量到泵浦模块的温度并将温度值转化成电流值，经采样电阻将电流值转换成电压值，通过放大电路将电压信号放大后通过A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号，DSP将采集到的数据和设定温度进行比较和运算，调整输出脉宽。

温控电路采用MOS场效应功率管组成的全桥电路对半导体致冷片进行驱动控制，采用增量型数字PID算法来调整PWM脉宽输出来改变其平均电流，当TEC器件有正向电流通过时，热量从冷端流向热端，TEC对泵浦模块制冷；当TEC器件有反向电流通过时，热量流动方向则相反，TEC对泵浦模块加热。因此需要控制器调节TEC器件电流方向来达到恒温控制的目的，温度控制结构图如图4所示。

3软件设计

系统的软件部分主要由主程序和温度控制程序组成，主程序完成的功能是控制激光器的起停，当控制单元接收到出光信号后，同时温度准备好，控制单元向本振和放大恒流源发送时钟信号，同时经过固定的延时向控制单元送出电光调Q信号，激光器出光。当接收到停止发射指令，控制单元停止发射时钟，激光器停止出光，主程序流程如图5所示。

温度控制程序是为激光器出光做准备，主要完成的功能是数据采集与处理，通过电流信号控制TEC的加热制冷来控制泵浦模块的温度，读取温度及上报准备好的信号。根据半导体激光器泵浦模块的工作特性，泵浦模块的最佳工作温度范围为30℃左右，通过这种控制方式将温度控制在30±1℃，溫度控制子程序流程如图6所示。