CN117389200A - 基于声光偏转器的激光控制系统、方法和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于声光偏转器的激光控制系统、方法、计算机设备和存储介质。所述系统包括：上位工控机用于生成激光控制数据集；获取激光控制数据集并将激光控制数据集传输至数据处理模块；激光设备用于出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号；数据处理模块用于对激光控制数据集进行进制转换，将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；声光偏转器用于基于进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾，控制激光脉冲；接口电路模块与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。采用本系统能够高精度、高响应的激光控制。
Description
技术领域
本申请涉及FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片开发和激光控制技术领域，特别是涉及一种基于声光偏转器的激光控制系统、方法、计算机设备和存储介质。
背景技术
传统激光控制方式包括运动板卡控制、微控制器单元控制、数字信号处理器控制、激光控制软件控制等，但都各有缺点。基于激光光束偏转响应时间慢的特点，传统激光控制系统中的振镜和压电陶瓷电机开发都存在周期长、稳定性差、激光光束控制不够灵活的缺陷，对于较小尺寸的快速控制的响应时间较高，精度都较低，因此小尺寸加工精度难以实现。
传统AOD（Acousto Optical Deflectors，声光偏转器）控制有软件控制和硬件控制两种，软件控制实现路径坐标规划比较困难，硬件控制控制速率低，程序达不到纳秒级别的响应速度。对于相应的传统FPGA开发，需要编程人员掌握晦涩难懂的硬件语言，对编程人员基本素质要求较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高精度、高响应、开发周期快、具有并行处理、可对特定路径规划位置坐标的基于声光偏转器的激光控制系统、方法、计算机设备和存储介质。
第一方面，本申请提供了一种基于声光偏转器的激光控制系统，该系统包括：
上位工控机，用于生成激光控制数据集，激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；
激光设备，用于出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号；
数据处理模块，包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片，用于对激光控制数据集进行进制转换，将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号，并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
声光偏转器，用于基于进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾，控制激光脉冲；
接口电路模块，与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。
在其中一个实施例中，上位工控机采用直接内存访问及先进先出的方法将激光控制数据集传输至现场可编程门阵列芯片。
在其中一个实施例中，现场可编程门阵列芯片搭载于高速数字输入/输出板卡上。
在其中一个实施例中，现场可编程门阵列芯片内部包括采用实验虚拟仪器工程平台及现场可编程门阵列开发的数据处理电路，数据处理电路用于对激光控制数据集进行数据存储、数据进制转换和数据传输。
在其中一个实施例中，现场可编程门阵列芯片内部还包括数据读取存储状态机、数据转换发送状态机、数据利用状态机、激光模式切换状态机和激光延时匹配状态机；其中，数据读取存储状态机用于传输激光控制数据集并存储于现场可编程门阵列芯片中，数据转换发送状态机用于对激光控制数据集进行进制转换，数据利用状态机用于对现场可编程门阵列芯片中存储的激光控制数据集进行间隔读取，激光模式切换状态机用于切换激光设备的模式；激光延时匹配状态机用于时序匹配。
在其中一个实施例中，接口电路模块包括采用高速串行计算机扩展总线标准的第一接口以及采用目标引脚数量的第二接口。
第二方面，本申请还提供了一种基于声光偏转器的激光控制方法，该方法包括：
产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；
对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；
生成门控信号和门控信号的同步信号；
将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾；
发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。
在其中一个实施例中，对激光控制数据集进行进制转换之前还包括将激光控制数据集存储至数据处理模块。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；
对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；
生成门控信号和门控信号的同步信号；
将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾；
发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；
对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；
生成门控信号和门控信号的同步信号；
将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾；
发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。
上述基于声光偏转器的激光控制系统、方法、计算机设备和存储介质，通过上位工控机生成激光控制数据集，所述激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，并将所述激光控制数据集传输至数据处理模块；激光设备出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号；数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片，用于对所述激光控制数据集进行进制转换，将所述进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号，并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；声光偏转器基于进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾，控制激光脉冲；接口电路模块，与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。将LabVIEW（Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，实验虚拟仪器工程平台）FPGA与声光偏转器结合使用，获得具有高性能、高灵活性、高集成能力的激光控制系统，满足对激光脉冲进行实时控制和调节的需求，同时应用声光偏转器能更高效精确地实现对激光的控制。将该系统应用于高精度激光控制的场合，在保证激光精度和实时性的前提下，通过简单易懂的上位机和下位机同步编写的程序可以实现路径自动规划，其中上位机即为上位工控机。通过产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；生成门控信号和门控信号的同步信号；将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾；发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。该方法基于FPGA技术，利用FPGA本身的高度并行特性，具有更高的实时性，结合高频响应大大提高程序响应和控制时间。其开发上位机图形规划算法和下位机程序联调修改方便快捷，采用AOD声光偏转驱动器可以实现高精度、高分辨率、高响应的激光控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中基于声光偏转器的激光控制系统的系统示意图；
图2为又一个实施例中基于声光偏转器的激光控制系统的系统示意图；
图3为一个实施例中基于声光偏转器的激光控制方法的流程示意图；
图4为又一个实施例中基于声光偏转器的激光控制方法的流程示意图；
图5为另一个实施例中基于声光偏转器的激光控制方法的流程示意图；
图6为一个实施例中基于声光偏转器的激光控制系统的信号时序图；
图7为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
目前的激光控制方式有多种，但都存在一定的缺陷，具体如下：
通过运动板卡控制，但存在限制控制精度的缺点。由于运动板卡的控制精度受到硬件和传感器的限制，可能无法满足某些高精度控制需求，并且运动板卡通常具有固定的输入/输出接口和功能，扩展性有限，难以应对复杂的控制需求。
通过微控制器单元（MCU，Microcontroller Unit）控制，但受限于有限的计算能力，还存在通信限制和可编程性限制的缺点。微控制器单元的计算能力相对较低，对于某些复杂的控制算法和实时处理需求可能不够；某些微控制器单元可能缺乏通信接口或通信速度较慢，限制了与其他设备或系统的连接和数据交换能力；微控制器单元的编程能力和灵活性相对较低，可能无法满足某些高级控制需求。
通过数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）控制，但受限于其复杂性和学习曲线，还存在成本较高和资源限制的问题。因为使用DSP进行激光控制需要具备一定的信号处理和算法设计知识，对于非专业人士来说，学习和使用DSP可能存在一定的难度；相比其他控制技术，DSP通常价格较高，这可能增加系统的成本；DSP的计算资源有限，对于某些复杂的控制算法和实时处理需求可能不够。
通过激光控制软件控制，但需依赖计算机系统，激光控制软件通常需要在计算机上运行，这意味着系统的稳定性和性能受到计算机硬件和操作系统的限制；激光控制软件的可靠性和实时性可能受到计算机系统的影响，例如操作系统的延迟和其他后台任务可能导致控制的不稳定性或延迟。激光控制软件可能需要与特定的激光器和硬件设备配合使用，软件和硬件之间的兼容性可能存在问题，因此软件兼容性也是需要解决的问题。
传统激光控制系统中的压电陶瓷相较于AOD存在单价昂贵的问题，由于传统的压电陶瓷单价昂贵，没有专门的散热设备，尺寸小散热不好，存在热累计不能长时间连续工作，稳定性较差。
传统激光控制系统中的振镜通常需要的响应时间更长，反应速度更慢，需搭载XY平台，如用直线电机等。因此，传统激光控制系统中存在激光光束偏转响应时间慢的缺点。总之，振镜和压电陶瓷电机开发具有周期长、稳定性差、激光光束控制不够灵活、在微米级别无法实现精细灵活的控制激光光束位置的问题。目前对于较小尺寸，如微米级的激光快速控制响应时间较长、精度都较低，小尺寸加工精度难以实现。
传统AOD控制有软件控制和硬件控制两种，软件控制可以单步控制或者按照脚本控制，但实现路径坐标规划比较困难；硬件控制可以采用运动板卡和PLC（ProgrammableLogic Controller，可编程逻辑控制器）控制，但是其控制速率低，程序达不到纳秒级别的响应速度；IO（Input/Output，输入/输出）带宽较低，数据吞吐量低。目前，对于相应的传统的FPGA开发，需要编程人员掌握晦涩难懂的硬件语言，对编程人员基本素质要求较高。因此，有必要为应对这种状况提出一种高精度、高响应、开发周期快、具有并行处理、可对特定路径规划位置坐标的基于LabVIEW-FPGA开发的激光控制方法以及系统。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于声光偏转器的激光控制系统，系统中各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。本实施例中，该装置包括：
上位工控机102，根据算法产生激光控制数据集，激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集、啁啾变焦数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中，路径规划频率数据集就是频率数据集，幅值数据集是激光能量数据集，啁啾数据集是激光变焦数据集。
激光设备104，用于出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号；
数据处理模块106，包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片，其中，高速输入/输出板卡搭载现场可编程门阵列芯片，用于对激光控制数据集进行进制转换，将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号，并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
声光偏转器108，用于基于进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾，控制激光脉冲；
接口电路模块（图中未示出），与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。
其中，上位工控机102又称上位机，搭载PCIe（Peripheral ComponentInterconnect Express，一种高速串行计算机扩展总线标准）接口。
具体地，门控信号为FPGA程序中设计，通过高速数字IO发射至激光器的门控信号输入接口，激光器输出同步信号至高速数字IO，此时FPGA程序接收到同步信号，做出相应的程序判断。
在其中一个实施例中，上位工控机通过上位程序将自动规划好的路径坐标数据传输至数据处理模块中的FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列），再由FPGA中Memory（可编程存储器）按地址存储位置坐标，其中路径坐标数据、位置坐标即为路径规划频率数据集。
在其中一个实施例中，数据处理模块通过专用电缆将对应的路径规划频率数据集、幅值数据集、啁啾变焦数据集传输至FPGA芯片规划的电路程序。进一步地，将上位工控机传输过来的路径规划频率数据集、幅值数据集、啁啾变焦数据集依次寻址，并将十进制数据转化为二进制数据后发送至I/O(Input/Output，简称I/O）口，以串行的电信号高频地传送至AOD声光偏转器的硬件I/O接口。
具体地，激光设备包括激光器。激光器输出的GATE信号（门控信号）的同步信号通过专用电缆传输至高速数字IO板卡，经由板卡内部电路到FPGA芯片，FPGA芯片得到门控信号的同步信号控制激光器出光，并匹配上一步发出的路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集。
上述基于声光偏转器的激光控制系统中，上位工控机根据算法产生激光控制数据集，激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集、啁啾变焦数据集并将激光控制数据集传输至数据处理模块；激光设备用于出射激光脉冲并基于门控信号输出同步信号；数据处理模块包括：高速输入输出模块搭载可编程门阵列芯片，用于对激光控制数据集进行进制转换，将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；声光偏转器用于基于进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾变焦，控制激光脉冲；接口电路模块与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。AOD声光偏转器是一种利用声光效应实现光束偏转的器件，通常由一个声波发生器和一个光学晶体组成，其中声波发生器产生高频声波，将其传播到光学晶体中。由于声波在光学晶体中传播时，会引起光学晶体中的折射率的变化，从而改变通过光学晶体的光束的传播方向。采用高精度、高响应、快速开发的激光控制系统基于声光偏转器，通过调节声光偏转器中的声波的频率和幅度，可以实现频率的改变、幅值的改变以及啁啾的变化，进而实现对激光光束的精确控制和偏转。
在一个实施例中，上位工控机采用直接内存访问及先进先出的方法将激光控制数据集传输至现场可编程门阵列芯片。
具体地，上位工控机通过上位程序将自动规划好的激光控制数据集通过DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） FIFO（First in，First out，先进先出）传输至FPGA。
本实施例中，通过DMA和FIFO进行数据传输，能够防止在进机和存储操作时丢失数据，提高数据的传输速度，能更快地完成数据传输任务，提高基于声光偏转器的激光控制系统性能。
在一个实施例中，现场可编程门阵列芯片搭载于高速数字输入/输出板卡上。
具体地，高速数字I/O板卡搭载FPGA芯片。其中，高速数字I/O板卡采用的是PCIeExpress接口，此接口与上位机PCle *4相连接；高速数字I/O板卡另一端是64pinIO输入输出口共4个通道，具有高带宽低延时的特点。
本实施例中，高速数字I/O板卡搭载FPGA芯片能实现程序可重构，并且数据吞吐量大，可以实现快速的数据传输。
在一个实施例中，现场可编程门阵列芯片内部包括采用实验虚拟仪器工程平台及现场可编程门阵列开发的数据处理电路，数据处理电路用于对激光控制数据集进行数据存储、数据进制转换和数据传输。
具体地，FPGA芯片内部包括有采用LabVIEW（Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）FPGA设计与编译的数据处理电路以及激光控制方式切换和工艺的相关程序电路，其中数据处理电路用于将上位工控机传输的数据进行存储、数据转换和发送。
进一步地，数据处理电路将串行化后的位置坐标位置数据、对应的补偿幅值数据以及啁啾变焦数据集按照控制要求和时序发送给AOD声光偏转器，其中位置坐标位置数据即为路径规划频率数据集，对应的补偿幅值数据即为幅值数据集。
本实施例中，采用基于LabVIEW FPGA的激光控制系统，开发人员可以使用LabVIEW的图形化编程环境来设计FPGA的逻辑电路和控制算法，LabVIEW FPGA模块还具备与其他LabVIEW模块和硬件设备的集成能力，使得开发人员可以方便地构建复杂的系统。而相较于传统技术，采用LabVIEW FPGA模块开发，其简单易懂的图形化语言会大大加快激光控制研发应用的周期。FPGA具有可编程和可重接线的特性，可取代部分集成电路，降低激光控制系统复杂度，且开发和制造成本低，维护简单。
在一个实施例中，现场可编程门阵列芯片内部还包括数据读取存储状态机、数据转换发送状态机、数据利用状态机、激光模式切换状态机和激光延时匹配状态机；其中，数据读取存储状态机用于传输激光控制数据集并存储于现场可编程门阵列芯片中，数据转换发送状态机用于对激光控制数据集进行进制转换，数据利用状态机用于对现场可编程门阵列芯片中存储的激光控制数据集进行间隔读取，激光模式切换状态机用于切换激光设备的模式；激光延时匹配状态机用于时序匹配。
具体地，FPGA芯片内部具有接收和利用上位工控机规划的激光控制数据集的电路，还包括从上位工控机读取数据并写入存储器的状态机、数据转换状态机和发送信号的状态机、控制每次数据利用或间隔利用的状态机、控制激光开关的模式的电路切换状态机以及控制激光开关延时和时序匹配的状态机。从上位工控机读取数据并写入存储器的状态机，即数据读取存储状态机，是利用FPGA中FIFO将上位工控机生成的数据通过DMA FIFO传输过来，再按照地址依次存储在FPGA Memory中，可选地，也可存储至DRM（Dynamic RandomAccess Memory，动态随机存储器模块）。数据转换状态机和发送信号的状态机，即数据转换发送状态机，是将三十二位十进制数据依次读出并利用拆分数字分成高八位和低八位，和指令控制字一起，依次给到对应I/O，实现位置坐标频率和对应补偿幅值的变化。控制每次数据利用或间隔利用的状态机，即数据利用状态机，用于数据的间隔读取，因为FPGA是并行处理，所以每次设置数组间隔后一次时钟周期变化后，对应的变量都发生变化，所以可以按地址依次读取Memory中的数据。控制激光开关的模式的电路切换状态机，即激光模式切换状态机，用于切换激光Gate信号和Trigger（触发）两种模式。控制激光开关延时和时序匹配的状态机，即激光延时匹配状态机，是为了前期和后期的时序匹配以及确保激光设备光路的稳定均匀出光的必要程序。
本实施例中，通过数据读取存储状态机、数据转换发送状态机、数据利用状态机、激光模式切换状态机和激光延时匹配状态机，实现FPGA芯片数据传输、数据存储、数据转换的功能，具有更高的实时性，结合高频响应能大大提高程序响应和激光控制时间。
在一个实施例中，接口电路模块包括采用高速串行计算机扩展总线标准的第一接口以及采用目标引脚数量的第二接口。
其中，采用高速串行计算机扩展总线标准的第一接口即为PCIe接口，采用目标引脚数量的第二接口即为68pin高速数字I/O口。
具体地，接口电路模块包括接口电路。接口电路包括PCIe接口、68pin（一种连接器接口标准）高速数字I/O口，将上位工控机生成的数据转换为二进制位给到高速数字IO口，在高速数字输入/输出板卡电源允许情况下，接入多个激光控制设备，包括AOD声光偏转器设备、电光偏转器设备等。
本实施例中，接口电路模块通过不同种类的接口将各激光控制设备连接起来，形成完整的系统，从而确保激光控制系统能正常运转。
在一个实施例中，如图2所示，提供一种基于LabVIEW FPGA开发的声光偏转器的激光控制系统，包括上位工控机202、高速数字I/O板卡搭载FPGA芯片204、AOD声光偏转驱动器206、激光器208。接口电路分别与上位工控机202、高速数字I/O板卡、AOD声光偏转驱动器206相连接；上位工控机202与高速数字I/O板卡通过PCIe接口相连接，高速数字I/O板卡通过专用68pin电缆连接。其中上位工控机202产生的数据通过硬件时是通过PCIe传输的，程序中是通过DMA FIFO传输设置的。通过LabVIEW FPGA开发的激光控制系统，上位工控机202采用算法自动规定路径规划的坐标频率数据和对应频率补偿下的幅值数据通过PCIe接口产传输并按地址依次存入到高速数据板卡上的FPGA芯片的MDR（Memory Data Register，数据寄存器），FPGA芯片将按地址依次寻址并把读取到的十进制数转二进制，再分别将二进制高八位低八位传输对应的IO口上。IO口输出到AOD声光偏转器驱动器206上指令输入接口。所需68针脚的VHDCI 68Pin连接器又称SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）连接器或HPCN（HighPerformance Computing and Networking，高性能计算和网络）68Pin插头。当高速数字板卡I/O接收到激光发射前的同步信号后，此时坐标频率数据、事先对应频率补偿下的幅值数据以及啁啾变焦数据以及指令控制字发送给AOD声光偏转驱动器206。可选地，AOD声光偏转驱动器还可包括AOD1和AOD2两个声光偏转驱动器。在频率、幅值以及啁啾设置完毕后，激光对应发送一个脉冲。对于激光焦点的位置可以通过LabVIEW FPGA实现预设，进而满足线性变焦。
在另一个实施例中，基于声光偏转器的激光控制系统包括上位工控机，生成激光控制数据集，激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，并采用直接内存访问及先进先出的方法将激光控制数据集传输至数据处理模块中的现场可编程门阵列芯片。激光设备，用于出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号。数据处理模块，包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片，现场可编程门阵列芯片搭载于高速数字输入/输出板卡上，用于对激光控制数据集进行进制转换，将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号，并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集。其中，现场可编程门阵列芯片内部包括采用实验虚拟仪器工程平台及现场可编程门阵列开发的数据处理电路，数据处理电路用于对激光控制数据集进行数据存储、数据进制转换和数据传输。现场可编程门阵列芯片内部还包括数据读取存储状态机、数据转换发送状态机、数据利用状态机、激光模式切换状态机和激光延时匹配状态机；其中，数据读取存储状态机用于传输激光控制数据集并存储于现场可编程门阵列芯片中，数据转换发送状态机用于对激光控制数据集进行进制转换，数据利用状态机用于对现场可编程门阵列芯片中存储的激光控制数据集进行间隔读取，激光模式切换状态机用于切换激光设备的模式；激光延时匹配状态机用于时序匹配。声光偏转器，用于基于进制转换后的激光控制数据集调节频率和幅值，控制激光脉冲；接口电路模块，包括采用高速串行计算机扩展总线标准的第一接口以及采用目标引脚数量的第二接口，与上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。
本实施例中，采用AOD声光偏转器、高速数字I/O实现开发时间短、高精度、超高响应的激光控制系统，可用于高精度激光控制的场合，完成对激光脉冲的精准控制。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种基于上述所涉及的基于声光偏转器的激光控制系统的基于声光偏转器的激光控制方法。该方法所提供的解决问题的实现方案与上述系统中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个基于声光偏转器的激光控制方法实施例中的具体限定可以参见上文中对于基于声光偏转器的激光控制系统的限定，在此不再赘述。
在一个示例性的实施例中，如图3所示，提供了一种基于声光偏转器的激光控制方法，包括：
步骤302，产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片。
步骤304，对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器。
步骤306，生成门控信号和门控信号的同步信号。
步骤308，将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集。
步骤310，基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾。
步骤312，发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。
其中，门控信号是下位机程序通过板卡IO输入给激光器，此时激光按照自己的内频发出激光脉冲，但是发出每个脉冲之前，激光器会先输出一个同步信号通过IO 反馈到板卡上进而到程序中。
具体地，上位工控机在LabVIEW编程环境下，进行声光偏转器频率的路径算法的规划。由于每个频率下激光能量不稳定，在进行测试后上位工控机进行了幅值补偿，即每个频率下对应稳定能量后的补偿计算，并将路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集通过DMA FIFO传输到FPGA芯片上。
示例性地，下位机FPGA芯片里的程序中将输出的一个IO信号对应到激光器gate信号的输入即为门控信号，其中下位机即为高速数字I/O板卡；将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集也是由下位机FPGA芯片中程序完成。
进一步地，在FPGA数据接收完成后，通过数据转换状态机和发送信号的状态机按照工艺要求依次或者间隔地把激光控制数据集转换后并将频率幅值控制字发送给高速I/O口，传输到AOD的硬件控制端，从而实现频率和幅值的切换。按照时序此时等待激光脉冲的射入，从而精细地改变激光脉冲的位置和对应位置的功率大小。
在其中一个实施例中，如图4所示，步骤402包括上位工控机采用LabVIEW软件生成所需的数据，即激光控制数据集。步骤404包括经过DMA FIFO按照地址存储到至FPGA芯片中的Memory存储器中。步骤406包括在FPGA程序中，通过不同的状态机将数据转换和控制字按照一定时序发送给AOD声光偏转驱动器。步骤408包括从而实现纳秒级别高响应、微米级别高精度的激光控制。
进一步地，当所有数据使用完成后，此时所有状态机完成任务停止，也可改变工艺参数继续触发一次。
本实施例中，产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；生成门控信号和门控信号的同步信号；将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾；发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲，基于FPGA技术、利用FPGA本身的高度并行特性实现激光脉冲的控制。与传统的单线程方法相比，该方法具有更高的实时性，结合高频响应大大提高程序响应和控制时间。其开发上位机图形规划算法和下位机程序联调修改方便快捷，采用AOD声光偏转驱动器可以实现高精度、高分辨率、高响应的激光控制。
在其中一个实施例中，对激光控制数据集进行进制转换之前还包括将激光控制数据集存储至数据处理模块。
具体地，在FPGA接收数据时，上位工控机读取数据并写入存储器的状态机将FIFO池中的数据按地址依次存入到FPGA的Memory中。
本实施例中，通过将激光控制数据集存储至FPGA中，因为FPGA是并行处理，所以每次设置数组间隔后一次时钟周期变化后，对应的变量都发生变化，便于按地址依次读取Memory中的数据。
在另一个实施例中，如图5所示，提供一种基于声光偏转器的激光控制方法，该方法包括：
步骤502，产生激光控制数据集，并将激光控制数据集传输至数据处理模块；其中激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片。
步骤504，将激光控制数据集存储至数据处理模块。
步骤506，对激光控制数据集进行进制转换，并将进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器。
步骤508，生成门控信号和门控信号的同步信号。
步骤510，将门控信号的同步信号传输至数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集。
步骤512，基于进制转换后的激光控制数据集调节声光偏转器的频率、幅值和啁啾。
步骤514，发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制激光脉冲。
在一个实施例中，如图6所示，提供一种基于LabVIEW FPGA开发的声光偏转器的激光控制系统重要信号时序图。由于FPGA运行是并行运行，在采集到激光同步信号后，FPGA同步将坐标数据和对应频率补偿下的幅值数据以及指令控制字传输到IO口，写入AOD声光偏转驱动器，设置完成后激光刚好匹配发射一个同时脉冲。到对应时序时，出发激光GATE信号完成对应频率幅值控制下的激光同步触发，控制在要求的时序上，进而使每个频率下激光脉冲功率保持均匀。
本实施例中，将LabVIEW FPGA与声光偏转器结合使用的方法可以实现高性能、灵活性和集成能力的激光控制。这种组合可以满足实时控制和调节的需求，更好地控制声光偏转器的应用，提供更佳的性能。
上述实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个示例性的实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口、通信接口、显示单元和输入装置。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口、显示单元和输入装置通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC（近场通信）或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于声光偏转器的激光控制方法。该计算机设备的显示单元用于形成视觉可见的画面，可以是显示屏、投影装置或虚拟现实成像装置。显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要符合相关规定。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于声光偏转器的激光控制系统，其特征在于，所述系统包括：
上位工控机，用于生成激光控制数据集，所述激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，并将所述激光控制数据集传输至数据处理模块；
激光设备，用于出射激光脉冲，并基于门控信号输出同步信号；
数据处理模块，包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片，用于对所述激光控制数据集进行进制转换，将所述进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；输出门控信号接收的同步信号，并匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
声光偏转器，用于基于所述进制转换后的激光控制数据集调节频率、幅值和啁啾，控制所述激光脉冲；
接口电路模块，与所述上位工控机、激光设备、数据处理模块、声光偏转器连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位工控机采用直接内存访问及先进先出的方法将所述激光控制数据集传输至所述现场可编程门阵列芯片。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片搭载于所述高速数字输入/输出板卡上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片内部包括采用实验虚拟仪器工程平台及现场可编程门阵列开发的数据处理电路，所述数据处理电路用于对所述激光控制数据集进行数据存储、数据进制转换和数据传输。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列芯片内部还包括数据读取存储状态机、数据转换发送状态机、数据利用状态机、激光模式切换状态机和激光延时匹配状态机；其中，所述数据读取存储状态机用于传输所述激光控制数据集并存储于所述现场可编程门阵列芯片中，所述数据转换发送状态机用于对所述激光控制数据集进行进制转换，所述数据利用状态机用于对所述现场可编程门阵列芯片中存储的激光控制数据集进行间隔读取，所述激光模式切换状态机用于切换激光设备的模式；激光延时匹配状态机用于时序匹配。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接口电路模块包括采用高速串行计算机扩展总线标准的第一接口以及采用目标引脚数量的第二接口。
7.一种基于声光偏转器的激光控制方法，其特征在于，所述方法包括：
产生激光控制数据集，并将所述激光控制数据集传输至数据处理模块；其中所述激光控制数据集包括路径规划频率数据集、幅值数据集和啁啾变焦数据集，所述数据处理模块包括高速数字输入/输出板卡和现场可编程门阵列芯片；
对所述激光控制数据集进行进制转换，并将所述进制转换后的激光控制数据集传输至声光偏转器；
生成门控信号和门控信号的同步信号；
将所述门控信号的同步信号传输至所述数据处理模块，匹配已传输的进制转换后的激光控制数据集；
基于所述进制转换后的激光控制数据集调节所述声光偏转器的频率、幅值和啁啾；
发射激光脉冲，根据已调节的声光偏转器控制所述激光脉冲。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所述激光控制数据集进行进制转换之前还包括将所述激光控制数据集存储至所述数据处理模块。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7至8中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7至8中任一项所述的方法的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20240112 |
|
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