CN111276866B - 基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，在半导体激光器驱动电路的输出端通过达林顿管与半导体激光器相连；达林顿管的发射极通过采样电阻接地，在达林顿管与采样电阻之间设置监测端口，当监测端口处的采样电压与理想驱动电压的差值大于设定值时，片上协同处理器将采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值作为偏移量通过位置式PID计算，得到的运算结果返回FPGA，FPGA控制DA转换器产生修正电压，加法器对驱动电压和修正电压求和，得到新的驱动电压并输入半导体激光器驱动电路，使得半导体激光器实际驱动电流达到输出所需功率的精准值。

Description

基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统
技术领域
本发明基于SoC FPGA的半导体激光器驱动系统控制方法，属于半导体激光器控制技术领域。
背景技术
电流是激光器驱动系统中的重要控制参数之一，在高精度激光半导体控制领域，一般通过电流驱动激光半导体发出特定功率的激光，同时在电流控制系统中，开展具有高效控制能力的PID控制方式，也是增进激光半导体工作稳定性的重要手段。因此设计具有高效、高精度的激光半导体驱动系统是光电控制领域的迫切需求。
与传统的通用控制计算芯片相比，异构架构的SoC FPGA(System on Chip，片上系统)是一个有专用目标的集成电路，包含完整系统并有嵌入式软件的全部内容，与传统的通用控制芯片相比，异构架构具有高性能的显著优点，通过AXI总线将可编程处理单元和片上嵌入式系统进行桥接，可进行高速的数据分析与计算，极大的提升了激光器驱动系统的控制速度与稳定性。
现有激光半导体驱动电流控制将监控回路的输出电流作为PID控制的输入信号，并通过PID算法对输入信号进行分析计算，该方法可以有效抑制激光半导体驱动电流的温漂特性，但是存在着控制速度慢的缺点，无法从时效上满足光学仪器的控制要求。此外，激光半导体的驱动电流多采用MOS管驱动的方式，功率控制精度较低。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术存在的不足，提出基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，实现高精度、高稳定性的半导体激光器的驱动控制，实现所需功率激光的稳定输出。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，包括：达林顿管、采样电阻、AD转换器、SoC FPGA、DA转换器、加法器和半导体激光器驱动电路，
半导体激光器驱动电路的输出端通过达林顿管与半导体激光器相连；达林顿管的发射极通过采样电阻接地，在达林顿管与采样电阻之间设置监测端口，监测端口与AD转换器输入端相连，AD转换器的控制端与SoC FPGA相连，SoC FPGA包括FPGA和片上协同处理器，片上协同处理器与FPGA之间通过AXI总线相连，SoC FPGA的输出端与DA转换器的控制端相连，DA转换器的输出端分别通过第一转换通道和第二转换通道与加法器相连，加法器与半导体激光器驱动电路相连；第一转换通道用来输送控制半导体激光器的驱动电压，第二转换通道用来输送控制半导体激光器的修正电压；
当监测端口处的采样电压与理想驱动电压的差值大于设定值时，片上协同处理器将采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值作为偏移量通过位置式PID计算，得到的运算结果返回FPGA，FPGA控制DA转换器产生修正电压，加法器对驱动电压和修正电压求和，得到新的驱动电压并输入半导体激光器驱动电路，使得半导体激光器实际驱动电流达到输出所需功率的精准值。
进一步的，所述半导体激光器驱动电路包括RC滤波器、电压跟随器和PID控制回路，电压跟随器同相输入端与所述加法器的输出端相连，电压跟随器反相输入端与RC滤波器相连，RC滤波器与PID控制回路相连，PID控制回路用于将所述达林顿管的基极电压控制在设定的电压阈值。
进一步的，所述位置式PID计算的计算公式为:
Figure GDA0002963736450000021
其中，Kp为比例控制系数，
Figure GDA0002963736450000022
为积分控制系数，TD为微分控制系数，u(t)为PID的运算结果。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明通过对将采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值进行位置式PID控制，可以有效保证经过缓冲后电流回路的工作稳定性，通过对半导体激光器驱动电路的信号采集与分析，有效的提高了半导体激光器输出功率的稳定性，通过异构SoC FPGA的高速数据处理，极大提高激光器驱动电流控制实时性的同时，有效降低了对FPGA片上可编程逻辑资源的占用。本发明可以实现温度变化环境下驱动激光半导体精准、稳定输出所需功率的激光。
附图说明
图1为本发明实施例提供的硬件结构示意图。
图2为本发明实施例涉及到采样电阻、加法器和半导体激光器驱动电路的原理图。
图3为本发明实施例的工作流程图。
图中，1-第一转换通道，2-第二转换通道，3-加法器，4-RC滤波器，5-电压跟随器，6-PID控制回路，7-达林顿管，8-采样电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1-图3所示，一种基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，包括：达林顿管7、采样电阻8、AD转换器、SoC FPGA、DA转换器、加法器3和半导体激光器驱动电路。
半导体激光器驱动电路的输出端通过达林顿管7与半导体激光器相连；达林顿管7的发射极通过采样电阻8接地，在达林顿管7与采样电阻8之间设置监测端口，监测端口与AD转换器输入端相连，AD转换器的控制端与SoC FPGA相连，SoC FPGA包括FPGA和片上协同处理器，片上协同处理器与FPGA之间通过AXI总线相连，SoC FPGA的输出端与DA转换器的控制端相连，DA转换器的输出端分别通过第一转换通道1和第二转换通道2与加法器3相连，加法器3与半导体激光器驱动电路相连；第一转换通道1用来输送控制半导体激光器的驱动电压，第二转换通道2用来输送控制半导体激光器的修正电压。
当监测端口处的采样电压与理想驱动电压的差值大于设定值时，片上协同处理器将采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值作为偏移量通过位置式PID计算，位置式PID计算的计算公式为:
Figure GDA0002963736450000031
其中，Kp为比例控制系数，
Figure GDA0002963736450000032
为积分控制系数，TD为微分控制系数，u(t)为PID的运算结果。得到的运算结果返回FPGA，FPGA控制DA转换器产生修正电压，加法器3对驱动电压和修正电压求和，得到新的驱动电压并输入半导体激光器驱动电路，使得半导体激光器实际驱动电流达到输出所需功率的精准值。
其中，半导体激光器驱动电路包括RC滤波器4、电压跟随器5和PID控制回路6，电压跟随器5同相输入端与加法器3的输出端相连，电压跟随器5反相输入端与RC滤波器4相连，RC滤波器4与PID控制回路6相连，PID控制回路6用于将达林顿管7的基极电压控制在设定的电压阈值。PID控制回路6与现有的PID控制电路相同。PID控制回路6由两级运放组成，分别是运放单元U1A和运放单元U1B，运放单元U1A的同相输入端连接所述双路加法器的输出，反向输入端连接由电容、电阻组成的比例运算模块、积分运算模块、微分运算模块。RC滤波器4能够防止电路中高频信号的影响。达林顿管7的型号为TIP122ST，基极连接PID控制回路6的输出端，集电极连接含有延时启动保护的半导体激光器，发射极经过采样电阻8后接地。达林顿管7具有放大倍数大的优良特性，只需很小的基极驱动电流即可驱动较大电流型负载，通过改变FPGA产生的控制电压的大小即可改变基极电阻两端的电压，进而改变基极电流。电压跟随器5的型号为OPS177GS，输出电压与输入电压大小相等，且后级电路不会影响前级控制，具有更强的负载能力，输入端连接加法器3的输出电压。
AD转换器采用16位模数转换芯片，其型号为ADS112。半导体激光器采用激光二极管，SoC FPGA可以选用的型号为ZYNQ xc7030-ffg676。SoC FPGA内部设置有信号处理单元、运算单元和数据校准单元，其中，信号处理单元将当前采样电阻8的电压转换得到当前的驱动电流，位于片上协同处理器中的运算单元对当前的驱动电流值进行PID分析，数据校准单元将当前的理想驱动电流的大小和实际电流大小相比较，进行PID修正校准。
半导体激光器驱动电路的工作原理如下：
设SoC FPGA控制的DA转换器输出电压为V1，为了防止高频噪声和尖峰电流的影响，在电压的输入端并联RC滤波器4，电压V1经过电压跟随器5的输出电压为V2，由“虚短”和“虚断特性可知”，V2＝V1。
由于“虚短”和“虚断”，PID控制回路中，运放单元U1A的同相输入端和反向输入端电压相等，则运放单元U1A的反向输入端电压V3等于同相输入端电压V2，即V3＝V2。
对于运放单元U1B，其反相输入端与正相输入端的电压相等，都等于
Figure GDA0002963736450000041
而采样电阻8两端的电压值与运放单元U1B两端的电压值基本相等。
对于达林顿管TIP122G，其射极电压为
Figure GDA0002963736450000042
又因为V2＝V1，V3＝V2，则有射极电流Ic为
Figure GDA0002963736450000051
由于达林顿管的电流放大倍数β1β2＞＞1，则处于集电极的半导体激光器驱动电流
Figure GDA0002963736450000052
PID控制回路6中，运放单元U1A的反馈电压为运放单元U1B的输出电压UBo，由“虚短”、“虚断”特性可知，U1B的正向输入端电压为采样电阻8两侧的电压，即为IcR8，
Figure GDA0002963736450000053
该电压作为PID控制回路的反馈输入信号，通过运放单元U1A进行电压控制。
设运算放大单元U1A的输出电压UAo，经过推导得：
Figure GDA0002963736450000054
在硬件电路中，电容电阻的规格都是确定的，在输入控制电压不变的情况下，当达林顿管的输出电流发生改变与扰动时，会引发PID控制回路的快速动作，通过比例、积分、微分操作可将达林顿管的基极电压可靠的控制在设定的电压阈值，极大地增强了电流源的运行稳定性。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (2)

1.一种基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，其特征在于包括：达林顿管(7)、采样电阻(8)、AD转换器、SoC FPGA、DA转换器、加法器(3)和半导体激光器驱动电路，
半导体激光器驱动电路的输出端通过达林顿管(7)与半导体激光器相连；达林顿管(7)的发射极通过采样电阻(8)接地，在达林顿管(7)与采样电阻(8)之间设置监测端口，监测端口与AD转换器输入端相连，AD转换器的控制端与SoC FPGA相连，SoC FPGA包括FPGA和片上协同处理器，片上协同处理器与FPGA之间通过AXI总线相连，SoC FPGA的输出端与DA转换器的控制端相连，DA转换器的输出端分别通过第一转换通道(1)和第二转换通道(2)与加法器(3)相连，加法器(3)与半导体激光器驱动电路相连；第一转换通道(1)用来输送控制半导体激光器的驱动电压，第二转换通道(2)用来输送控制半导体激光器的修正电压；
当监测端口处的采样电压与理想驱动电压的差值大于设定值时，片上协同处理器将采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值作为偏移量通过位置式PID计算，得到的运算结果返回FPGA，FPGA控制DA转换器产生修正电压，加法器(3)对驱动电压和修正电压求和，得到新的驱动电压并输入半导体激光器驱动电路，使得半导体激光器实际驱动电流达到输出所需功率的精准值；
其中，位置式PID计算的计算公式为:
Figure FDA0002955064020000011
其中，Kp为比例控制系数，
Figure FDA0002955064020000012
为积分控制系数，TD为微分控制系数，u(t)为PID的运算结果，e(t)为采样电压与当前半导体激光器的驱动电压的差值。
2.根据权利要求1所述的基于SoC FPGA的半导体激光器功率控制系统，其特征在于：所述半导体激光器驱动电路包括RC滤波器(4)、电压跟随器(5)和PID控制回路(6)，电压跟随器(5)同相输入端与所述加法器(3)的输出端相连，电压跟随器(5)反相输入端与RC滤波器(4)相连，RC滤波器(4)与PID控制回路(6)相连，PID控制回路(6)用于将所述达林顿管(7)的基极电压控制在设定的电压阈值。
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