CN107121995A

CN107121995A - 半导体激光器智能化嵌入式监控系统

Info

Publication number: CN107121995A
Application number: CN201710387793.0A
Authority: CN
Inventors: 冯永茂; 曹锴郎
Original assignee: Silicon Photoelectric Technology (tianjin) Co Ltd
Current assignee: Silicon Photoelectric Technology (tianjin) Co Ltd
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2017-09-01

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器智能化嵌入式监控系统。所述半导体激光器智能化监控系统包括激光器监控终端和多个激光器监控单元板。所述激光器监控单元板每一个都具有激光器功率回路参数和内部环境参数的采集以及控制功能，对激光器输出的工作电流、工作电压、输出脉冲参数、温度、相对湿度、PD值等信息进行实时采集，并能够分析出激光器实时工作状态信息。所述激光器监控单元板通过总线结构连接到所述激光器监控终端上，使用者可通过激光器监控终端对各个激光器的工作信息进行查看，并且能够完成控制动作，在无人值守情况下能够对激光器工作进行智能管理，为激光器提供真正安全、稳定的工作环境。

Description

半导体激光器智能化嵌入式监控系统

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器功率回路参数、内部环境参数的智能化嵌入式监控系统。

背景技术

半导体激光器已经被广泛应用于通信、医疗、材料生产等方面，并且正在被推广到更多的应用领域。在当前激光器先进应用领域，很多从事激光器研究与制造的大型公司，如美国相干、IPG、德国通快等，都已经具备完善的激光器制造体系，其激光器涉及领域也十分宽广。这些大型公司在寻求激光器安全、可靠工作的过程中，将温度控制器TEC加入到激光器系统中，以提高激光器工作的稳定度。但这种设计仍然是将监控系统与激光器输出分离开，不能做到实时检测与控制。因此缺乏一种嵌入到激光器工作系统的监控系统，和激光器作为一个整体进行工作，实现激光器工作的智能化改造，为核心部分激光器工作提供真正的保障。

发明内容

本发明的半导体激光器智能化嵌入式监控系统，包含激光器监控单元板和激光器监控终端。激光器监控单元板负责激光器相关参数的采集并下达终端传递的控制命令，激光器监控终端则负责汇总所有的参数信息并反映给使用者清晰易读的结论，还要能对所有的激光器监控单元板进行控制。

本发明所述激光器监控单元板，将与激光器工作相关的参数划分为功率回路参数以及内部环境参数。功率回路参数包括：输出电压，输出电流，电路中重要节点处电流，输出功率，输出脉冲的频率、正脉冲宽度、数量等，内部环境参数包括：环境温度、相对湿度、PD值以及激光器件的出光时间等。

所述激光器监控单元板解决这两种参数的测量以及控制。具体包括：

1、使用合适的微控制器作为控制核心，制作智能控制模块。

2、对激光器驱动输出的电流、电压和脉冲波形等功率回路参数进行采集，计算实际输出功率，并反馈控制驱动输出；

3、对环境温度、相对湿度、PD值等内部环境参数进行采集，以采集结果为依据对激光器工作环境进行控制；

本发明所述激光器监控终端，包含激光器监控单元板与监控终端之间搭建的总线结构，两者之间的通信协议约定以及监控终端的上位机软件。

附图说明

图1是本发明半导体激光器智能化嵌入式监控系统组成结构框图。

图2是半导体激光器监控单元板的工作流程图。

图3是半导体激光器智能化嵌入式监控系统智能控制模块结构框图。

图4是半导体激光器智能化嵌入式监控系统的通信协议说明图。

图5是半导体激光器智能化嵌入式监控系统监控终端上位机软件界面图。

具体实施方式

1、功率回路参数的采集与控制

（1）与电路相关参数输出电压，输出电流，电路中重要节点处电流等皆转化为电压信号形式，由差分放大器对电压进行采样，再传至AD进行处理转换得到测量结果，采样的精度和数据处理的方式，越接近实际的采样结果能使系统的准确控制能力大大提高。

（2）输出脉冲由微控制器产生并采集，其输出频率、正脉冲宽度、数量通过微控制器的定时器结构进行测量。

（3）结合输出电压、输出电流以及输出脉冲的正脉冲宽度，微控制器用下式计算出激光器的实时输出功率。其中D _pulse为输出脉冲的占空比。

实时输出功率作为反馈量作用于功率输出部分，对功率回路进行控制。

2、内部环境参数的采集与控制

（1）环境温度采集与控制

采集环境温度使用电阻模拟温度变化的方式，使用的温度传感器种类分为热电偶、热电阻、热敏电阻、集成温度传感器等。

以NTC热敏电阻为例，它能根据环境温度的变化改变自身的阻值。一般情况下，当温度逐渐升高，其阻值不断降低，具体的函数关系如下式：。式中，T₁、T₂的温度单位都为开尔文（K），以绝对温度进行衡量。R_t是NTC在T₁温度下的阻值，R为NTC在常温T₂下的标称阻值，B则是与NTC相关的热敏系数。根据该式，系统能直接采样热敏电阻的当前阻值，进行转换运算后得到相应的采集点温度。

微控制器根据采集点温度，对温度控制系统进行操作。温度控制系统包括散热器、风冷系统、水冷系统等。在激光器工作时，温度控制系统处于开启状态，当采集点温度过高时，温控系统的工作功率提高，对工作系统进行降温，维持工作系统温度的恒定。

（2）相对湿度RH值采集

在工作系统中设置湿度传感器，得到系统的实时湿度变化情况。综合考虑工作环境本身的湿度条件以及激光器对环境湿度造成的影响，建立工作环境的湿度模型，研究湿度因素对激光器工作的影响。

（3）PD值的采集与分析

半导体激光器中集成有光电二极管PD，用于激光器的输出光功率进行检测。通过对检测电流与输出功率的测量和数据拟合分析，可知PD检测电流与输出功率之间存在着线性关系。监控系统依据该线性关系较为准确的获取激光器输出功率。另外，系统可以根据PD检测电流，对于激光器系统的异常状态在一定范围内判断，根据判断的结果对功率输出进行控制。

3、智能控制模块的设计

所述半导体激光器智能控制模块，内含在激光器监控单元板中。本发明依据半导体激光器种类的不同选择ARM架构的微控制器，如STM32，或者FPGA芯片作为合适的控制核心，根据上述参数采集的要求，编写相应的微控制器程序，实现获得采集参数并对采集参数进行分析处理，进而发出正确可靠的控制指令。

所述半导体激光器智能控制模块结构组成如图2所示，其首要功能是对采集信息进行接收以及分析处理，其次根据信息处理结果，对功率输出进行控制，包括开关控制、参数调节控制等，再操作温度控制系统、湿度控制系统等工作，对半导体激光器工作环境参数进行调节，配合激光器系统进行安全、稳定的工作。

智能控制模块的工作流程如图3所示，对功率输出部分进行初始功率输出设置之后，进行功率输出。在功率输出的同时，对功率回路的参数和内部环境的参数进行检查，如果功率回路的参数有异常，则根据实际值计算偏差值，反馈至功率输出设置处进行调整，没有异常则保持正常工作；当内部环境参数发生异常，首先判断异常的类型，根据发生异常的类型，例如发生的是温度异常，则使能温度控制系统，对功率输出部分的温度进行调整。直至输出完毕，结束工作。

4、监控系统总线结构的构建和监控终端的建立

监控系统的总线结构采用一主多从的方式，多台从机向主机独立的进行通信，互不影响和干扰。对于总线结构的选择，常用的有串口总线、CAN总线和工业以太网。这三者各有千秋，对于本发明都是适用的。

串口总线结构最为简单，从机的接收线RX接上主机的发送线TX，主机的接受线RX都挂载上从机的发送线TX，即可将串口总线结构搭建完成。串口总线在处理小规模的节点汇集处理上是有一定优势的，其造价低、实现方式简单，可以减轻监控系统通信功能的编程压力，使整个系统很快的投入使用。其明显缺点是通信速率不会很高，实时性要求低，另外，串口总线不自带时序控制和检错机制。

CAN总线和工业以太网在现代工业生产中已经被广泛使用，其总线的搭建方式相对来说比较熟悉，CAN总线需要配置对应的控制器和驱动器，工业以太网总线需要配备路由器和交换机。CAN总线继承了串口总线两条主线的简单结构，在其中集成了数据通信帧协议，提供了循环冗余检验、优先级判别等功能，确保了通信的可靠性，同时CAN总线允许任意数量的节点在网络内通信，而且其通信速率最高可到1Mbps，通信距离最远可达10km。工业以太网同样具备以上的有点，而其通信速率更高，现在已经达到1Gbps，但以太网的协议复杂，开发门槛较高，需要开发者对于以太网通信协议有一定的理解和使用经验。

在总线结构上进行通信，本发明在系统内部约定了一种通信协议，其通信格式如图4所示。通信协议的设计，借鉴了先入先出（First Input First Output，简称为FIFO）队列的思想。一般来说，串口接收到数据都会通过中断服务程序存在串口接收缓存区中，同时数据处理也在中断服务程序中，那么在处理中断的时候，微控制器是不会进行其他工作的。微控制器的工作效率决定于串口中断服务程序中数据处理的时间。当数据量很大时，这个延时会变得非常长，因此本发明设计了FIFO队列，串口中断接收到的数据都让其进入队列，再对队列中的数据进行处理，在进行数据处理的同时，微控制器也在处理其他重要的工作，保证了系统的工作效率。发送数据的过程也同样，把所有要发送的数据整合到一个FIFO队列中，使串口一次性发送完整个队列中的数据，并且是有序的数据，提高了串口的收发效率。

使用FIFO队列可以使串口收发的数据都是有序的。数据具有有序性，加之数据长度通过定义FIFO队列的长度进行确定，就可以让一个FIFO队列的数据具有意义。本发明将一个有意义的FIFO队列称为一个数据帧，根据普遍对帧的定义，一个数据帧需要有帧头、标识位、数据段和帧尾。本发明将所有帧分为：动作命令帧、数据设置、查询帧、脉冲个数设置帧以及信息回传帧。每一种帧都定义了其长度以及标识位，如图4所示。而每一种帧都依靠标识判别，为了区分PC机向微控制器发送的帧和微控制器回传给PC机的帧，本发明对帧尾做了改动，如果由PC发向微控制器，那么帧尾为“FE”；如果由MCU发向PC，那么帧尾为“EF”。这样每次串口接收、发送的FIFO队列数据都可进行如下的处理：首先接收符合FIFO队列长度的数据，若接收的长度超过了规定值，则执行“丢尾”（Tail Drop）机制，将后续数据进行丢弃。以接收脉冲个数设置帧为例，系统判断第1、2字节的帧头和第6字节的帧尾，符合该结构的帧视为通信中的有效帧，不符合的作为无效帧扔掉。再判断第3字节的标识位，其内容是已规定的标示，则读取其数据段信息，传递给对应的执行函数，使微控制器产生相应的动作。不满足则丢弃掉整个数据帧，重新接收，微控制器无动作。

根据系统总线结构，本发明设计了一种监控终端，其上位机软件界面如图5所示。所述的监控终端用于收集各个监控单元板上的参数信息，并对所有监控单元板实现统一化、智能化的控制。为方便用户的使用，所有指令使用了按钮操作，并将采集到信息以图表形式展示。在无人看管的情况下，该监控终端会自动对各个监控单元板上的数据进行访问，根据情况对监控单元板所连接的激光器工作系统进行操作，及时发现异常情况并排除。

Claims

1.一种半导体激光器智能化嵌入式监控系统，包括激光器监控单元板和激光器监控终端。

2.所述的激光器监控单元板包括智能控制模块，功率回路参数采集部分，内部环境参数采集部分，其特征在于可以对激光器工作的功率回路参数以及内部环境参数进行采集，经过分析判断能够对激光器的工作系统进行控制。

3.所述的激光器监控终端包括激光器监控单元板与监控终端之间的总线结构、通信协议以及监控终端上位机软件。

4.其特征在于能够与激光器监控单元板进行独立通信，向其发送控制指令，收集其所有参数信息，并对信息进行处理，使用户得到清晰易读的信息。

5.根据权利要求1所述的功率回路参数采集部分和内部环境参数采集部分，其特征在于：能够采集与激光器相关的电回路参数、光回路参数以及水路参数，电回路参数包括：输出电压，输出电流，电路中重要节点处电流，输出功率，输出脉冲的频率、正脉冲宽度、数量等，光回路参数包括：环境温度、相对湿度、PD值以及激光器件的出光时间等，水路参数包括：水冷系统的水流流速、水温、水压等。

6.根据权利要求1所述的智能控制模块，其特征在于：使用ARM架构的微控制器，如STM32或者FPGA芯片作为控制核心，使用该核心对采集数据进行分析处理。

7.根据权利要求1中所述的激光器监控单元板与监控终端之间的总线结构，其特征在于：使用RS232、RS485串口总线、CAN总线和工业以太网等结构，根据系统通信速率需求以及系统工作环境情况进行选择。

8.权利要求1中所述的通信协议，其特征在于：其开头两位作为帧头，最后一位作为帧尾，根据通信帧的标识确定通信帧的长度，帧头与帧尾之间包含的是需要传递的信息，并根据通信帧标识区分信息内容。

9.权利要求1中所述的监控终端上位机，其特征在于：具有汇总参数信息、控制各个监控单元板的功能；可以通过按钮、控件控制或者输入文本的方式发送指令；具有通信协议解析能力；以图形、表格、图表等形式反映数据信息；能够自行与激光器监控单元板进行通信、交互信息；能够根据数据信息自行对激光器监控单元板进行操作并通知使用者。