CN103606811B - 基于cpld的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统，包括微控制单元、第一数模转换器、第二数模转换器、多路转换器、CPLD控制芯片、泵浦源、脉冲光纤激光器和光电信号处理单元，所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器发出的反馈信号从而实现对所述脉冲光纤激光器驱动电源的整体控制，包括激光器功率的设定、调节、泵浦源功率的调节，控制激光器的稳恒输出、激光器工作温度的调节、功率的反馈，声光调制器的脉宽调制。根据本发明的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统可以通过具有成本效益和计算速度优势的CPLD芯片来实现激光器的电源控制，特别是温度和功率的调节控制，其具有成本低廉、控制电路简单易实现的特点，且反馈速度快，控制灵敏。

Description

基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统

技术领域

本发明涉及脉冲光纤激光器领域。具体而言，本发明涉及一种基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统。

背景技术

在精密加工领域，激光功率是激光器最主要的参量之一，激光输出功率严重的影响着激光加工的质量。在激光加工过程中，如何能实时监控激光功率的变化，提高激光功率的稳定性和控制精度，对产品的精密加工有着极其重要的作用。

目前，在光纤激光器、光通信、光传感等领域控制系统已经成为了一个比较重要的部分。主要的控制系统一般采用模拟电路与处理器或嵌入式相结合的方法进行控制，主要的控制算法多采用PID控制。处理器主要采用单片机、DSP、ARM等芯片进行控制。软件算法主要有负反馈算法、增量式PID算法、模糊PID算法等。近年来，随着控制器件特别是微控制器技术的不断进步，光源的控制方式也特到了快速发展，以单片机、DSP和ARM等器件为核心的控制系统先后被提出。

在整个脉冲光纤激光器的系统中，驱动电源主要包括半导体激光器的驱动电源和声光调制器的驱动电源。而要实现整个激光器的运转对其驱动电源的控制至关重要。主要分为功率稳恒、温度稳恒、声光调制器的脉冲控制、功率分配等。

目前，有针对光纤激光器的泵浦源半导体激光器做出了温度和功率专用的控制模块，可以实现温度和功率的恒定。如Wavelength公司、ILXLightwave公司、Thorlabs公司等。优点是控制精确，并且模块化，但其缺点是体积大且价格昂贵，调节范围受到一定限制，不易于整合到光纤激光器系统。整合到光纤激光器中的控制系统目前主要是各大光纤激光器生产公司如IPG、SPI等公司的产品。但其控制系统主要是针对激光打标的控制，即与上位机的通信等，对温度和功率的控制做得不够精准。国内的主要激光器生产公司如武汉锐科公司甚至没有考虑温度的控制，只是单纯的风冷。这就导致其输出功率和中心波长都不太稳定。

因此，在激光加工过程中，如何能实时监控激光功率的变化，提高激光功率的稳定性和控制精度，对产品的精密加工有着极其重要的作用。此类型激光器其功率值在不同的加工设计中其平均功率是变化的，这就给光功率的实时采集和控制带来了麻烦。

因此，需要一种价格成本低廉且稳定的脉冲激光器驱动电源系统，能克服现有技术中的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统，包括微控制单元、第一数模转换器、第二数模转换器、多路转换器、CPLD控制芯片、泵浦源、脉冲光纤激光器和光电信号处理单元，其中，所述微控制单元包括主芯片、JTAG下载电路、寄存器、复位电路、晶振、电源，接收来自上位机的信号和指令，进行初始化设置、功率设定和功率锁存，并输出为可用于输出到后端模块的数字控制信号；所述第一数模转换器和第二数模转换器将来自所述微控制单元输出的信号转化为模拟信号进行输出；所述多路转换器用于在来自所述CPLD控制芯片输出的选控信号控制下对所述第一数模转换器和第二数模转换器输出的多路模拟信号进行选择；所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器发出的反馈信号从而实现对所述脉冲光纤激光器驱动电源的整体控制，包括激光器功率的设定、调节、泵浦源功率的调节，控制激光器的稳恒输出、激光器工作温度的调节、功率的反馈，声光调制器的脉宽调制；所述激光器用于在所述CPLD控制芯片的控制下，接收来自所述泵浦源的泵浦光发出所需的脉冲激光信号；以及光电信号处理单元采集来自所述激光器的功率信号，转换处理后送入所述微控制单元进行反馈控制。

优选地，所述上位机是激光打标控制系统或激光编码控制系统。

优选地，所述微控制单元通过其内部的寄存器对激光器的功率进行锁存。

优选地，所述第一数模转换器和所述第二数模转换器为12位电压方式数/模转换器。

优选地，所述多路转换器为三通道多路转换器，三个控制端从六路数据中选择三路。

优选地，所述泵浦源为主振荡和功率放大(MO-PA)结构。

优选地，所述CPLD控制芯片通过热敏电阻作为传感器采集来自光路部分的温度信号进行温度控制。

优选地，所述温度调节采用PID增量控制算法。

优选地，所述光电信号处理单元包括光电转换器模块和小信号处理模块。

优选地，所述小信号处理模块采用两级放大电路对光电转换器模块采集到的微弱光信号进行放大。

根据本发明的基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统可以通过具有成本效益和计算速度优势的CPLD芯片来实现激光器的电源控制，特别是温度和功率的调节控制，其具有成本低廉、控制电路简单易实现的特点，且反馈速度快，控制灵敏。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

结合附图详细描述了本发明的上述和其他方面，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统的系统框图。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

图1示意性地示出了根据本发明的基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统的系统框图。根据本发明的驱动电源控制系统100包括微控制单元101、第一数模转换器102、第二数模转换器103、多路转换器104、CPLD控制芯片105、激光器108的泵浦源106、脉冲光纤激光器108和光电信号处理单元109。

微控制单元101接收来自上位机的信号和指令，处理为可用于输出到后端模块的数字控制信号。上位机例如是激光打标控制系统、激光编码控制系统等供用户进行输入，使用户发出控制指令至下位机的软件或系统模块。来自上位机的数据可以通过控制线(例如USB总线)发送给为控制单元101，从而传输到下位机用于控制脉冲光纤激光器108的电源。

微控制单元101包括主芯片、JTAG下载电路、寄存器、复位电路、晶振、电源等模块，为了简明起见未在图中示出。微控制单元101的基本工作原理为：当该微控制单元101检测到来自上位机发送的初始化信号时，首先对该微控制单元101进行初始化设置；当检测到来自上位机发送的功率设定信号时，对该功率值进行处理以便发送到下位机的激光器108进行激光器108的功率设定；当通过其管脚接收到功率锁存信号(例如以上升沿触发的方式)到来时，通过其内部的寄存器对此时激光器108的功率进行锁存。

微控制单元101接收到的来自上位机的功率设定信号为数字信号，需要转换成模拟信号以提供给后续单元，因此，通过双路的第一数模转换器102和第二数模转换器103进行数模信号转换。第一数模转换器102和第二数模转换器103优选为12位电压方式数/模转换器。每个DAC的输出摆幅均为0V到(VREF-1LSB)，对应的输入码范围是0x000到0xFFF。可以通过微控制单元101中的控制寄存器发出控制信号来使能/禁止第一数模转换器102和第二数模转换器103。在被禁止时，第一数模转换器102和第二数模转换器103的输出保持在高阻状态，供电电流降到1μA或更小。

多路转换器104用于对第一数模转换器102和第二数模转换器103输出的多路模拟信号进行选择。优选地，所用的多路转换器为三通道多路转换器，三个控制端从六路数据中选择三路，其功能表如表1所示。

表1多路转换器的功能表

多路转换器104的选控信号来自于CPLD控制芯片105，在选控信号的控制下，将所选择的信号(例如功率设置信号)用于输入到激光器108的泵浦源从而控制泵浦源106的功率。

根据本发明的一个优选实施例，当本发明的脉冲激光器系统多用于激光打标等场合，由于在激光打标过程中需要高能量、高功率的脉冲激光输出，仅利用单个调Q激光器得到的脉冲能量有限，还不足以满足激光打标的要求。为了进一步提高脉冲能量，就要用到放大技术，根据本发明的优选实施例，采用了主振荡和功率放大(MO-PA)结构。MO-PA结构声光调Q脉冲光纤激光器结构主要由主振荡级(MO)和功率放大级(PA)两部分组成。因此来自多路转换器104的功率设置信号将会分别输入到主振荡级(MO)和功率放大级(PA)进行分别控制。

CPLD控制芯片105用于接收激光器发出的反馈的信号从而实现对脉冲光纤激光器驱动电源的整体控制，包括激光器功率的设定、调节、泵浦源功率的调节，控制激光器的稳恒输出、激光器工作温度的调节、功率的反馈，声光调制器的脉宽调制，并优选通过所包含的显示模块进行显示设定。

当CPLD控制芯片105对泵浦源106的温度控制数据进行分析和调节时，可以通过热敏电阻作为传感器采集来自光路部分的温度信号。利用热敏电阻的非线性阻抗温度特性，使用Steinhart-Hart，拉格朗日多项式，或者其他调解技术可以将负温度系数(NTC)的热敏电阻的精度调制得很高。作为泵浦源106的半导体激光器中的温度变化最终体现在阻值的变化，通过恒流源，体现在电压的变化，变换后送入CPLD控制芯片105，在CPLD控制芯片105中做该温度的调节，将调整后的值送回泵浦源106，例如可以控制泵浦源的TEC驱动电路，驱动TEC，进行温度的调节，最终得到稳定的输出温度。

温度的调节优选采用PID增量控制算法，控制量不是位置量的绝对数值，而是其增量值。增量式PID只需保留现在时刻以及前三个时刻的温度偏差值即可，所以增量式PID的计算量小，适用于数字逻辑电路的实现。由于增量式PID只有乘积项和加法项，而CPLD正适合完成这种运算，所以采用CPLD比较容易实现PID的控制。

CPLD控制芯片105还输出控制信号给激光器108用于调节激光器108的脉宽。在调节激光器108的脉宽时，通过上位机发出重复的脉冲信号作为触发信号，CPLD控制芯片105通过控制多路转换器104来选择上位机发出的重复脉冲信号，以CPLD的50M晶振为时钟，在重复信号的上升沿，计数2个时钟周期，得到窄脉宽的信号输出给激光器108。

此外，CPLD控制芯片105还在激光器开关信号的控制下发出使能信号以便启动脉冲光纤激光器108中包含的声光调制器(AOM)。

激光器108用于在CPLD控制芯片105的控制下，接收来自泵浦源106的泵浦光发出所需的脉冲激光信号。同时，激光器108的功率信号还反馈至光电信号处理单元109用于微控制单元101的反馈调节。

光电信号处理单元109采集来自激光器108的功率信号，转换处理后送入微控制单元101进行反馈控制。光电信号处理单元109优选包括光电转换器模块和小信号处理模块。光电转换器用于实现激光器发出的光信号到电信号的转换，光电采集部分可以使用PIN光电二极管。PIN二极管对低频信号具有整流作用，而对高频信号则具有阻抗作用，其采集到的脉冲峰值电压与光功率成线性关系。

由于光电探测器输出的电压幅值通常为几百μv到几百mv级别，应适当选择放大倍数将信号放大到可处理的幅度，因此需要提供小信号处理模块进行信号放大。优选地，可以采用两级放大电路对微弱光信号进行放大，并进行峰值信号的保持。放大后的信号送入到微控制单元101进行反馈控制。

根据本发明的基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统可以通过具有成本效益和计算速度优势的CPLD芯片来实现激光器的电源控制，特别是温度和功率的调节控制，其具有成本低廉、控制电路简单易实现的特点，且反馈速度快，控制灵敏。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是显而易见的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种基于CPLD的脉冲光纤激光器驱动电源控制系统，包括微控制单元、第一数模转换器、第二数模转换器、多路转换器、CPLD控制芯片、泵浦源、脉冲光纤激光器和光电信号处理单元，其中，

所述微控制单元包括主芯片、JTAG下载电路、寄存器、复位电路、晶振和电源，接收来自上位机的信号和指令，进行初始化设置、功率设定和功率锁存，并输出为可用于输出到后端模块的数字控制信号；

所述第一数模转换器和第二数模转换器将来自所述微控制单元输出的信号转化为模拟信号进行输出；

所述多路转换器用于在来自所述CPLD控制芯片输出的选控信号控制下对所述第一数模转换器和第二数模转换器输出的多路模拟信号进行选择；

所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器发出的反馈信号从而实现对所述脉冲光纤激光器驱动电源的整体控制，包括激光器功率的设定、激光器功率的调节、泵浦源功率的调节，控制激光器的稳恒输出、激光器工作温度的调节、功率的反馈和声光调制器的脉宽调制；

所述激光器用于在所述CPLD控制芯片的控制下，接收来自所述泵浦源的泵浦光发出所需的脉冲激光信号；以及

光电信号处理单元采集来自所述激光器的功率信号，转换处理后送入所述微控制单元进行反馈控制。

2.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中所述上位机是激光打标控制系统或激光编码控制系统。

3.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中微控制单元通过其内部的寄存器对激光器的功率进行锁存。

4.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中所述第一数模转换器和所述第二数模转换器为12位电压方式数/模转换器。

5.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中所述多路转换器为三通道多路转换器，三个控制端从六路数据中选择三路。

6.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中所述泵浦源为主振荡和功率放大(MO-PA)结构。

7.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中当所述CPLD控制芯片对泵浦源的温度控制数据进行分析和调节时，通过热敏电阻作为传感器采集来自光路部分的温度信号进行温度控制。

8.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中温度调节采用PID增量控制算法。

9.如权利要求1所述的驱动电源控制系统，其中所述光电信号处理单元包括光电转换器模块和小信号处理模块。

10.如权利要求9所述的驱动电源控制系统，其中所述小信号处理模块采用两级放大电路对光电转换器模块采集到的微弱光信号进行放大。