CN106340799A - 激光器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器控制系统，其包括控制器、RS422通信接口、驱动器和激光脉冲发生电路；本发明的激光器控制系统原理是：将电路连接后，接通+200V高压电源、VCC电源(+12V)和+3.3V电源；此时控制器通电；此时由单片机产生脉冲编码信号，经过驱动器来控制激光的输出；可见本发明的激光器控制系统采用单片机对激光发射进行控制，其反应速度快；而且本发明所采用的元件较少，因此，稳定性较高。

Description

激光器控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制激光器发光的设备，尤其涉及一种激光器控制系统。

背景技术

发展高性能激光器对提高我国装备仪器研制水平、提升我军战斗力具有十分重大的现实意义。激光发明50年来，军事需求一直引领激光技术的发展。一台激光器重量由25公斤下降为3公斤，功耗下降5倍，并且各项技术指标还有提升是跨时代的技术飞跃，原来只能车载的重型装备，瘦身后可以应用于战斗机、直升机、无人机、遥控车，甚至单兵携带，高性能激光器技术决定了未来战争的形式。

高性能激光器目前处在技术飞跃的关键时期。高性能激光器泵浦方式正由传统的氙灯泵浦源转变为半导体泵浦源，激光器效率由1-2％提高到10％左右，由此可以做到频率更高，能量更大，体积更小，重量更轻。

20Hz以上激光器列装产品目前仍以水冷为主，受限于尺寸、重量，导弹、飞机上应用激光器比较有限，即使应用也有很多限制,会带来诸多问题。因此以前的激光制导激光器不装在弹上、飞机上，弹上或飞机上只有探测器，以被动激光制导和驾束激光制导为主。20Hz以上激光器国内最高指标为5.5kg，尚处在实验室阶段，远不能满足实际应用需求。主要瓶颈在于小型化设计、严酷环境下的热设计和高可靠设计。

发明内容

本发明目的是提供一种激光器控制系统，其能对激光器进行有效控制，并具有较高的可靠性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种激光器控制系统，其包括控制器、RS422通信接口、驱动器和激光脉冲发生电路；

所述控制器为型号为ATXMEGA32A4-AU的单片机，所述单片机包括44个管脚，其中所述单片机的第8管脚、第18管脚、第30管脚和第38管脚接地；所述单片机的第9管脚、第19管脚、第31管脚和第39管脚接+3.3V电源；

所述控制器与RS422通信接口连接，所述RS422通信接口包括型号为MAX3490ESA的芯片；所述控制器的第26管脚连接所述型号为MAX3490ESA的芯片的第2管脚；所述控制器的第27管脚与所述型号为MAX3490ESA的芯片的第3管脚连接；所述型号为MAX3490ESA的芯片的第4管脚接地；且所述型号为MAX3490ESA的芯片的第7管脚和第8管脚之间连接有电阻R8；第5管脚和第6管脚之间连接有电阻R9；所述型号为MAX3490ESA的芯片的第1管脚连接于+3.3V电源，所述+3.3V电源为直流电源；

所述控制器与驱动器信号连接，所述驱动器为型号为IXDN604的芯片，所述控制器的第12管脚通过电阻R4连接于所述型号为IXDN604的芯片的INB管脚；且电阻R6的一端接地，另一端也连接于所述型号为IXDN604的芯片的INB管脚；所述型号为IXDN604的芯片的GND管脚接地，所述型号为IXDN604的芯片的VCC管脚通过电阻R3连接于+12V直流电源；电容C3的一端接地，另一端连接于所述型号为IXDN604的芯片的VCC管脚；

所述驱动器与所述激光脉冲发生电路连接，从而在所述驱动器的驱动下，产生激光脉冲；所述激光脉冲发生电路包括场效应管Q1、二极管D1以及半导体激光器D2；所述型号为IXDN604的芯片的OUTB管脚通过电阻R5连接于所述场效应管Q1的G端；所述场效应管Q1的D端通过电阻R2连接于+200V的电源；所述场效应管的S端接地；同时电容C1和C2的一端分别接地；另一端连接在一起，并连接于+200V电源；所述二极管D1的负极接地，所述半导体激光器D2的正极通过电阻R7接地；所述二极管D1的正极与所述半导体激光器D2的负极连接，并连接于电容C4的一端，所述电容C4的另一端连接于所述场效应管Q1的D端。

可选的，所述激光器控制系统还包括探测电路、第一放大电路、第二放大电路和采样电路；

所述探测电路包括型号为APD1的光电探测器、电阻R10、电阻R20和电容C10；所述光电探测器的第1管脚通过电阻R10连接于+200V高压电源；且所述光电探测器的第一管脚还通过电容C10接地；所述光电探测器的第2管脚接地；

所述探测电路连接于所述第一放大电路；所述第一放大电路包括型号为OPA356的芯片、电阻R20、电阻R30、电阻R40、电阻R50、电阻R60、电容C20和电容C30；所述光电探测器的负极端连接于所述型号为OPA356的芯片的-IN管脚，且所述光电探测器的负极端还通过电阻R50连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；所述光电探测器的负极端还通过电容C20和电阻R60连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；所述型号为OPA356的芯片的V+管脚连接于+5.0V VCC电源，所述型号为OPA356的芯片的V+管脚还通过电容C30接地；所述型号为OPA356的芯片的V-管脚通过电阻R40接地，所述型号为OPA356的芯片的+IN管脚通过电阻R20连接于+5.0VVCC电源，所述型号为OPA356的芯片的+IN管脚还通过电阻R30接地；

所述第一放大电路连接于所述第二放大电路，所述第二放大电路包括型号为AD8369的芯片、电容C40、电容C50、电容C60、电容C70、电容C80、电容C90、电容C100、电阻R70和电阻R90；所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚通过电阻R70和电容C40连接于所述型号为AD8369的芯片的第16管脚，所述型号为AD8369的芯片的第1管脚通过电容C50接地；所述型号为AD8369的芯片的第15管脚接地，所述型号为AD8369的芯片第12管脚、第13管脚、第14管脚均连接于+5.0VVCC电源；电容C60的一端连接于+5.0V VCC电源，另一端接地；所述型号为AD8369的芯片的第11管脚通过电容C70接地，所述型号为AD8369的芯片的第10管脚通过电容C80接地；所述型号为AD8369的芯片的第2管脚接地；所述型号为AD8369的芯片的第9管脚通过电容C90和电阻R90接地，所述型号为AD8369的芯片的第8管脚通过电容C100接地；

所述第一放大电路连接于所述采样电路，所述采样电路包括型号为MCP3424的芯片，所述型号为MCP3424的芯片的第13管脚连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；

所述采样电路与所述控制器连接；所述单片机的第10管脚连接于所述型号为MCP3424的芯片的第7管脚，所述单片机的第11管脚连接于所述型号为MCP3424的芯片的第8管脚；

所述第二放大电路与所述控制器连接，所述单片机的第3管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第7管脚；所述单片机的第4管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第6管脚；所述单片机的第5管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第5管脚；所述单片机的第6管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第4管脚；所述单片机的第7管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第3管脚。

本发明具有如下有益效果：本发明的激光器控制系统原理是：将上述电路连接后，接通+200V高压电源、VCC电源(+12V)和+3.3V电源；此时控制器通电；此时由单片机产生脉冲编码信号，经过驱动器来控制激光的输出；可见本发明的激光器控制系统采用单片机对激光发射进行控制，其反应速度快；而且本发明所采用的元件较少，因此，稳定性较高。

附图说明

图1为本发明的RS422通信接口、驱动器和激光脉冲发生电路与所述控制器的连接关系示意图；

图2为本发明的探测电路、第一放大电路、第二放大电路和采样电路与所述控制器的连接关系示意图；

图3为本发明的电源模块的结构示意图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种激光器控制系统，其包括控制器、RS422通信接口、驱动器和激光脉冲发生电路。

所述控制器为型号为ATXMEGA32A4-AU的单片机，所述单片机包括44个管脚，其中所述单片机的第8管脚、第18管脚、第30管脚和第38管脚接地；所述单片机的第9管脚、第19管脚、第31管脚和第39管脚接+3.3V电源。

所述控制器与RS422通信接口连接，具体地，所述RS422通信接口采用MAX3490ESA芯片(RS422通信芯片)实现；所述控制器的第26管脚连接所述RS422通信芯片的第2管脚；所述控制器的第27管脚与所述RS422通信芯片的第3管脚连接；所述RS422通信芯片的第4管脚接地；且所述RS422通信芯片的第7管脚和第8管脚之间连接有电阻R8；第5管脚和第6管脚之间连接有电阻R9；所述MAX3490ESA芯片的第1管脚连接于+3.3V电源，所述+3.3V电源为直流电源。

所述控制器与驱动器信号连接，具体地，所述驱动器为IXDN604芯片，所述控制器的第12管脚通过电阻R4连接于所述IXDN604芯片的INB管脚；且电阻R6的一端接地，另一端也连接于所述IXDN604芯片的INB管脚；所述IXDN604芯片的GND管脚接地，其VCC管脚通过电阻R3连接于所述+12V直流电源；电容C3的一端接地，另一端连接于所述IXDN604芯片的VCC管脚，以对所述VCC端进行稳压；通过上述连接，当所述控制器通过其第12管脚(PC2管脚)输出开关信号时，可以通过所述IXDN604芯片的OUTB管脚输出大功率的开关电流信号。

所述驱动器与所述激光脉冲发生电路连接，从而在所述驱动器的驱动下，产生激光脉冲；具体地，所述激光脉冲发生电路包括场效应管Q1、二极管D1以及半导体激光器D2；所述驱动器(IXDN604芯片)的OUTB管脚通过电阻R5连接于所述场效应管Q1的G端；所述场效应管Q1的D端通过电阻R2连接于+200V的电源；所述场效应管的S端接地；同时所述电容C1和C2的一端分别接地；另一端连接在一起，并连接于+200V电源；以使得电容C1和C2形成高压输入电源的滤波电容；所述二极管D1的负极接地，所述半导体激光器D2的正极通过电阻R7接地；所述二极管D1的正极与所述半导体激光器D2的负极连接，并连接于电容C4的一端，所述电容C4的另一端连接于所述场效应管Q1的D端。

本实施例中，所述激光器控制系统还包括电源模块，所述电源模块包括芯片LM1117，所述芯片LM1117的Vin管脚连接于+12V电源；电容C5和电容C6并联后，一端连接于+12V电源，另一端接地；电容C7和电容C8并联后，一端连接于芯片LM1117的Vout端，另一端接地；此时可以由所述芯片LM1117的Vout端输出+3.3V的直流电源。

本发明的激光器控制系统原理是：将上述电路连接后，接通+200V高压电源、VCC电源(+12V)和+3.3V电源；此时控制器通电；此时由单片机产生脉冲编码信号，经过驱动器来控制激光的输出；可见本发明的激光器控制系统采用单片机对激光发射进行控制，其反应速度快；而且本发明所采用的元件较少，因此，稳定性较高。

此时IXDN604芯片INB信号是PWM脉冲编码信号，且所述IXDN604的作用是经过电阻R5驱动场效应管Q1(MOSEFT)的开通和关断，且在场效应管的开通瞬时，其能够提供足够大的充电电流使场效应管的栅源极间电压迅速上升到所需值，保证场效应管Q1能快速开通且不存在上升沿的高频振荡，场效应管Q1导通期间驱动器能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证场效应管Q1能快速关断；电阻R3和电容C3组成低通滤波，VCC电源接入后经过滤波，可减少噪声。

本实施例中，所述IXDN604芯片是超高速的MOSFET驱动芯片，开通和关断时间较快，达到5ns。

本实施例中，其中电阻R2为充电限流电阻，电阻R7为脉冲电流限流电阻，电容C4为储能电容，+200V电源为输入高压偏置，二极管D1为钳位二极管，D2为半导体激光器，场效应管Q1为控制开关。

当场效应管Q1断开时，+200V高压偏置通过电阻R2向储能电容C4充电，电容C4两端的电压随即升高，充电完成后，储能电容两端的电压UC即与高压偏置电压+200V相等，当场效应管Q1闭合后储能电容C4通过场效应管Q1、放电限流电阻R7以及半导体激光器D2所组成的回路瞬时放电，加在半导体激光器D2两端的电压为-200V。

本发明的激光器控制系统还可以包括上位机，所述上位机可以通过RS422通信接口与控制器进行通信，而且可以通过上位机查询当前的编码脉冲码型，可以根据用户的需求产生所要编码脉冲码型，通过单片机的定时器产生伪随机码型，这种伪随机码可以起到加密的作用。查询完码型后，可以设置当前的码型，设置好之后，单片机发出伪随机码型，经过驱动器，来控制场效应管Q1的开通和关断，进而控制半导体激光器D2的发光，使得半导体激光器D2按照按键的编码实现发光。

本实施例中，为实现对所发射激光的回波的探测，所述激光器控制系统还包括探测电路、第一放大电路、第二放大电路和采样电路。

具体地，所述探测电路包括型号为APD1的光电探测器、电阻R10、电阻R20和电容C10；所述光电探测器的正极端(第1管脚)通过电阻R10连接于HV高压电源；且所述光电探测器的正极端还通过电容C10接地；所述光电探测器的第2管脚接地。

所述探测电路连接于所述第一放大电路；所述第一放大电路包括型号为OPA356的芯片(运算放大器)、电阻R20、电阻R30、电阻R40、电阻R50、电阻R60、电容C20和电容C30；所述光电探测器的负极端连接于所述OPA356芯片的-IN管脚，且所述光电探测器的负极端还通过电阻R50连接于所述OPA356芯片的OUT管脚；所述光电探测器的负极端还通过电容C20和电阻R60连接于所述OPA356芯片的OUT管脚；所述OPA356芯片的V+管脚连接于VCC电源(+5.0V)，所述OPA356芯片的V+管脚还通过电容C30接地；所述OPA356芯片的V-管脚通过电阻R40接地，所述OPA356芯片的+IN管脚通过电阻R20连接于VCC电源(+5.0V)，所述OPA356芯片的+IN管脚还通过电阻R30接地。

所述第一放大电路连接于所述第二放大电路，所述第二放大电路包括型号为AD8369的芯片、电容C40、电容C50、电容C60、电容C70、电容C80、电容C90、电容C100、电阻R70和电阻R90；所述OPA356芯片的OUT管脚通过电阻R70和电容C40连接于所述AD8369芯片的第16管脚(INHI)，所述AD8369芯片的第1管脚(INLO)通过电容C50接地；所述AD8369芯片的第15管脚接地，其第12管脚、第13管脚、第14管脚均连接于VCC电源(+5.0V)；电容C60的一端连接于VCC电源(+5.0V)，另一端接地；所述AD8369芯片的第11管脚通过电容C70接地，所述AD8369芯片的第10管脚通过电容C80接地；所述AD8369芯片的第2管脚接地；所述AD8369芯片的第9管脚通过电容C90和电阻R90接地，所述AD8369芯片的第8管脚通过电容C100接地。

所述第一放大电路还连接于所述采样电路，所述采样电路包括型号为MCP3424的芯片，所述MCP3424芯片的第13管脚(CH4+)连接于所述OPA356芯片的OUT管脚。

所述采样电路与所述控制器连接；所述单片机的第10管脚连接于所述MCP3424芯片的第7管脚(SDA)，所述单片机的第11管脚连接于所述MCP3424芯片的第8管脚(SCL)。

所述第二放大电路与所述控制器连接，所述单片机的第3管脚连接至所述AD8369芯片的第7管脚；所述单片机的第4管脚连接至所述AD8369芯片的第6管脚；所述单片机的第5管脚连接至所述AD8369芯片的第5管脚；所述单片机的第6管脚连接至所述AD8369芯片的第4管脚；所述单片机的第7管脚连接至所述AD8369芯片的第3管脚；以通过所述控制器对所述第二放大电路的放大倍数进行控制。

本实施例中，当所述激光器控制系统的激光回波信号经过所述光电探测器进行探测，传输至第一放大电路；并经由运算放大器OPA356进行放大；放大后的信号通过第二放大电路进行再次放大，经过两次放大的信号可以向外输出；即所述电容C90和电阻R90之间可以连接信号线，而且该信号线可以连接至单片机或者AD转换电路。

同时经过一次放大的激光回波信号通过采样电路进行采样，并将该采样信号输入控制器，所述控制器根据所述采样信号，即一次放大的激光回波信号的幅值的大小，控制第二放大电路的增益，从而实现对激光回波信号的增益的控制。

本实施例中，所述HV高压电源采用的是开关电源或者模块电源；其电压可以高达+200V；所述APD1光电探测器的灵敏度高、体积小、功耗低、可靠性高、抗电磁干扰强、动态范围大等优点；APD1光电探测器的内部光量子的倍增作用，使光电流大大倍增，显著提高了光电探测器的灵敏度；所述APD1光电探测器选择的是一款近红外增强型雪崩探测器。

所述APD1光电探测器探测到的信号为电流信号，需要第一放大电路将所述的电流信号变换为电压信号。所述电压信号为微弱的电压信号。所述第一放大电路的跨导放大器选用的是OP公司的OPA356芯片。OPA356芯片具有低功耗、低噪声、宽带宽的优点，但其需外加额外的分立元件。所述输出的电容C2和电阻R5、电阻R6是反馈电路，起快速调节系统的作用。所述电容C3为滤波电容。所述电阻R2和电阻R3为电源参考分压电阻。

所述第二放大电路的放大器采用是AD公司的AD8369程控增益放大器，AD8369芯片是数字程控增益，增益步长为3DB。本实施例的增益将数字程控增益调制最大，接到+5.0V上，将能输出最大增益。而且其输出的增益可以通过控制器进行控制。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种激光器控制系统，其特征在于，包括控制器、RS422通信接口、驱动器和激光脉冲发生电路；

所述控制器为型号为ATXMEGA32A4-AU的单片机，所述单片机包括44个管脚，其中所述单片机的第8管脚、第18管脚、第30管脚和第38管脚接地；所述单片机的第9管脚、第19管脚、第31管脚和第39管脚接+3.3V电源；

所述控制器与RS422通信接口连接，所述RS422通信接口包括型号为MAX3490ESA的芯片；所述控制器的第26管脚连接所述型号为MAX3490ESA的芯片的第2管脚；所述控制器的第27管脚与所述型号为MAX3490ESA的芯片的第3管脚连接；所述型号为MAX3490ESA的芯片的第4管脚接地；且所述型号为MAX3490ESA的芯片的第7管脚和第8管脚之间连接有电阻R8；第5管脚和第6管脚之间连接有电阻R9；所述型号为MAX3490ESA的芯片的第1管脚连接于+3.3V电源，所述+3.3V电源为直流电源；

所述控制器与驱动器信号连接，所述驱动器为型号为IXDN604的芯片，所述控制器的第12管脚通过电阻R4连接于所述型号为IXDN604的芯片的INB管脚；且电阻R6的一端接地，另一端也连接于所述型号为IXDN604的芯片的INB管脚；所述型号为IXDN604的芯片的GND管脚接地，所述型号为IXDN604的芯片的VCC管脚通过电阻R3连接于+12V直流电源；电容C3的一端接地，另一端连接于所述型号为IXDN604的芯片的VCC管脚；

所述驱动器与所述激光脉冲发生电路连接，从而在所述驱动器的驱动下，产生激光脉冲；所述激光脉冲发生电路包括场效应管Q1、二极管D1以及半导体激光器D2；所述型号为IXDN604的芯片的OUTB管脚通过电阻R5连接于所述场效应管Q1的G端；所述场效应管Q1的D端通过电阻R2连接于+200V的电源；所述场效应管的S端接地；同时电容C1和C2的一端分别接地；另一端连接在一起，并连接于+200V电源；所述二极管D1的负极接地，所述半导体激光器D2的正极通过电阻R7接地；所述二极管D1的正极与所述半导体激光器D2的负极连接，并连接于电容C4的一端，所述电容C4的另一端连接于所述场效应管Q1的D端。

2.根据权利要求1所述的激光器控制系统，其特征在于，还包括探测电路、第一放大电路、第二放大电路和采样电路；

所述探测电路包括型号为APD1的光电探测器、电阻R10、电阻R20和电容C10；所述光电探测器的第1管脚通过电阻R10连接于+200V高压电源；且所述光电探测器的第一管脚还通过电容C10接地；所述光电探测器的第2管脚接地；

所述探测电路连接于所述第一放大电路；所述第一放大电路包括型号为OPA356的芯片、电阻R20、电阻R30、电阻R40、电阻R50、电阻R60、电容C20和电容C30；所述光电探测器的负极端连接于所述型号为OPA356的芯片的-IN管脚，且所述光电探测器的负极端还通过电阻R50连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；所述光电探测器的负极端还通过电容C20和电阻R60连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；所述型号为OPA356的芯片的V+管脚连接于+5.0V VCC电源，所述型号为OPA356的芯片的V+管脚还通过电容C30接地；所述型号为OPA356的芯片的V-管脚通过电阻R40接地，所述型号为OPA356的芯片的+IN管脚通过电阻R20连接于+5.0VVCC电源，所述型号为OPA356的芯片的+IN管脚还通过电阻R30接地；

所述第一放大电路连接于所述第二放大电路，所述第二放大电路包括型号为AD8369的芯片、电容C40、电容C50、电容C60、电容C70、电容C80、电容C90、电容C100、电阻R70和电阻R90；所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚通过电阻R70和电容C40连接于所述型号为AD8369的芯片的第16管脚，所述型号为AD8369的芯片的第1管脚通过电容C50接地；所述型号为AD8369的芯片的第15管脚接地，所述型号为AD8369的芯片第12管脚、第13管脚、第14管脚均连接于+5.0VVCC电源；电容C60的一端连接于+5.0V VCC电源，另一端接地；所述型号为AD8369的芯片的第11管脚通过电容C70接地，所述型号为AD8369的芯片的第10管脚通过电容C80接地；所述型号为AD8369的芯片的第2管脚接地；所述型号为AD8369的芯片的第9管脚通过电容C90和电阻R90接地，所述型号为AD8369的芯片的第8管脚通过电容C100接地；

所述第一放大电路连接于所述采样电路，所述采样电路包括型号为MCP3424的芯片，所述型号为MCP3424的芯片的第13管脚连接于所述型号为OPA356的芯片的OUT管脚；

所述采样电路与所述控制器连接；所述单片机的第10管脚连接于所述型号为MCP3424的芯片的第7管脚，所述单片机的第11管脚连接于所述型号为MCP3424的芯片的第8管脚；

所述第二放大电路与所述控制器连接，所述单片机的第3管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第7管脚；所述单片机的第4管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第6管脚；所述单片机的第5管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第5管脚；所述单片机的第6管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第4管脚；所述单片机的第7管脚连接至所述型号为AD8369的芯片的第3管脚。