CN2862440Y - 激光二极管泵浦源的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种激光二极管泵浦源的控制系统，该系统以一单片机为控制中心，包括五个子功能模块：温度采集和控制模块、LD驱动模块、调Q电路模块、人机交互模块和LD实时状态的检测模块。采用模糊控制算法对所采集的物理量进行数据处理，对激光二极管泵浦源实行智能控制。本实用新型具有体积小、功耗低、易于控制、功能强大、抗干扰能力强等优点。

Description

激光二极管泵浦源的控制系统

技术领域

本实用新型涉及固体激光器，特别是一种用于固体激光器泵浦的激光二极管泵浦源的控制系统。

背景技术

固态激光器最有效的泵浦源是激光二极管(Laser Diode，以下简称LD)。早在1963年，美国人纽曼就提出了用LD作为固体激光器泵浦源的构想，进入八十年代，由于量子阱结构激光二极管的出现，激光二极管泵浦固体激光器(DPSSL-Diode Pumped Solid State Laser)研究工作取得了很大的进展，人们开始认识到LD代替闪光灯作泵浦源具有效率高、寿命长和结构紧凑等优点。然而LD是否正常运行与驱动电源的性能、工作温度等有着密切的关系，尤其是工作温度，对于LD的寿命、阈值电流、输出功率、激射波长等指标都会产生较大的影响，必须给LD提供高精度和高稳定性的工作温度，才能保证DPSSL具有最大的输出功率和最小的功率波动。因此，激光器工作时，稳定可靠的供电系统和高精度的温度控制装置是必需的。

传统的泵浦用LD多采用供电和温控分离的两套电气系统，在设计上也多采用模拟电路的方法，不仅线路复杂、体积大、功耗大，而且无法采用先进的智能控制，也无法实现友好的人机交互。随着LD的应用日益广泛，对相应的电气控制系统的要求越来越多样化，同时具备温度采集、数据处理、状态监测和输出控制能力的智能化控制系统成为研究的热点。

发明内容

本实用新型的目的在于开发一种同时具备温度采集、数据处理、状态检测和输出控制能力的智能化激光二极管(以下简称LD)泵浦源的控制系统。该系统应具有体积小、功耗低、易于控制、功能强大、抗干扰能力强等优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种激光二极管(以下简称LD)泵浦源的控制系统，其特征是以一片单片机为控制中心，设置五个子功能模块：温度采集和控制模块、LD驱动模块、调Q电路模块、人机交互模块和LD实时状态的检测模块，该单片机统一控制所述的温度采集和控制模块、LD驱动模块、调Q电路模块、人机交互模块和LD实时状态的检测模块协同工作，以实现激光二极管泵浦源智能化工作。

所述的单片机为ADuc812型号单片机，通过植入算法实现LD驱动信号和调Q信号的触发、模糊逻辑温度控制以及LD电流、能量的采样、控制和监测，采用频率为11.0592MHz的晶振与两个30pF的电容匹配，构成了单片机的时钟发生电路；复位电路采用一个复位芯片来完成，该复位芯片在确保电流稳定安全的前提下触发单片机复位接口的电复位。

所述的温度采集和控制模块由温度传感器、第四运算放大器(以下简称为运放)和致冷器组成，温度传感器实时采样激光二极管工作的温度值并转化为模拟电压信号，传输给所述的单片机，在单片机内完成模数转换和模糊逻辑计算，得到的控制量经过数模转换器变成模拟电压信号，从模拟输出端口输出，经第四运放跟随，输出到致冷器，控制其加热或致冷的功率，调节激光二极管的工作温度为设定温度。

所述的LD驱动模块包括第三运放和LD触发电路，LD脉冲触发信号由单片机的模拟输出端口，经过第三运放跟随后，提供给LD触发电路，输出信号的大小由上位机发出的指令决定。

所述的调Q电路模块，由单片机提供与LD脉冲触发信号相匹配的调Q信号。

所述的人机交互模块由电平转换芯片和RS-232串行接口和上位机组成，实现单片机与上位机之间的双向数据传输和数据显示。

所述的LD实时状态的检测模块包括LD电流采集和能量采集两部分：电流采集由LD电流采集点经电流采样保持芯片、第一运放与单片机的输入端口相连，该单片机的数字输出端口与电流采样保持芯片连接；能量采集由能量探测板经能量采样保持芯片和第二运放与单片机的输入端口相连，该单片机的数字输出端口与能量探测板连接，向能量探测板提供复位信号。

所述的单片机，采用模糊控制算法对所采集的物理量进行数据处理，对激光二极管泵浦源实行智能控制。

温度控制模块的工作主要包括以下几个步骤：通过温度传感器实时采集LD的工作温度并转换为模拟电压信号；将模拟电压信号经运算放大器放大后输入到单片机，单片机内部的模数转换器将输入的模拟信号转换为数字信号，并采用事先编好的模糊逻辑控制算法进行数据处理，得到用于调节温度的控制数据，该控制数据通过数模转换器转换成模拟信号控制致冷器的工作，最终达到控制被测物温度的目的。

上述的模糊逻辑控制算法属于智能控制的范畴，主要以模糊数学和规则表组成控制决策，适用于难于建模的受控对象，对于复杂的工作环境和存在未知干扰的情况也能获得较好的控制效果。

本实用新型的优点是：

1、该LD控制系统体积小，结构紧凑；

2、采用单片机作为控制核心，不仅功能强大、线路简单，也降低了功耗；

3、采用模糊控制算法进行温度自动控制，与传统的PID(Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分)控制相比，适应性强，在工作环境改变或有较大扰动的情况下，也无需手动调节控制参数。

4、友好的人机交互界面，LD工作电流大小方便调节，工作状态易于监测。

附图说明

图1为本实用新型激光二极管泵浦源的控制系统的总体结构示意图。

图2为本实用新型激光二极管泵浦源的控制系统具体实施例的电路原理图。

图3为本实用新型系统软件主程序流程。

图4为本实用新型LD触发信号和调Q触发信号子程序流程。

图5为本实用新型温度采集与控制子程序流程。

图6为本实用新型模糊逻辑控制算法子程序流程。

具体实施方式

下面以一片ADuc812单片机芯片为控制中心为实施例来说明本实用新型，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1和图2，本实用新型激光二极管泵浦源的控制系统，以一片ADuc812单片机2为控制中心，设置五个子功能模块：温度采集和控制模块1、LD驱动模块3、调Q电路模块4、人机交互模块5和LD实时状态的检测模块6，该单片机统一控制所述的温度采集和控制模块1、LD驱动模块3、调Q电路模块4、人机交互模块5和LD实时状态的检测模块6协同工作，以实现激光二极管泵浦源智能化工作。。

本实用新型采用的是AD公司的ADuc812型号单片机2，ADuc812是全集成的高性能12位数据采集系统，它在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道模数转换器(ADC)21，两个12位数模转换器(DAC)22以及8位微控制器(MCU-Micro controller unit)26，片内8KB的闪速/电擦除程序存储器264，640字节的闪速/电擦除数据存储器267以及256字节数据静态随机存储器268，均由可编程内核261控制，另外MCU26还包括3个16位定时/计数器263、看门狗定时器265、电源监视器262和振荡器266等，并为多处理器接口和输入/输出(I/O)扩展提供了32条可编程的I/O线25和标准通用异步收发器(UART-UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter)串行口I/O269等。

ADuc812是一款51系列兼容的单片机，因此其基本外围电路可以采用和51类似的电路实现，为了产生一个合适的通讯用的波特率，便于和计算机通讯，采用频率为11.0592MHz的晶振与两个30pF的电容匹配，构成了单片机的时钟发生电路7；复位电路的设计上，采用一个专用的MCU复位芯片ADM1812 8来完成，该ADM1812芯片在确保电流稳定安全的前提下触发单片机复位接口RST上的电复位。

所述的温度采集和控制模块1由温度传感器11、第四运放13和致冷器12组成，温度传感器11实时采样LD工作的温度值并转化为模拟电压信号，传输给所述的单片机2，在单片机内完成模数转换和模糊逻辑计算，得到的控制量经过数模转换器变成模拟电压信号，从模拟输出端口23输出，经第四运放13跟随，输出到致冷器12，控制其加热或致冷的功率，调节激光二极管的工作温度为设定温度。

所述的LD驱动模块3包括第三运放31和LD触发电路32，LD脉冲触发信号由单片机2的模拟输出端口24，经过第三运放31跟随后，提供给LD触发电路32，输出信号的大小由上位机53发出的指令决定。

所述的调Q电路模块4为常规调Q电路，由单片机2提供与LD脉冲触发信号相匹配的调Q信号。

所述的人机交互模块5由电平转换芯片51和RS-232串行接口52和上位机53组成，实现单片机2与上位机53之间的双向数据传输和数据湿示。

所述的LD实时状态的检测模块6包括LD电流采集和能量采集两部分：电流采集由LD电流采集点61经电流采样保持芯片62、第一运放63与单片机2输入端口P1.1相连，该单片机2的数字输出端口P2.7与电流采样保持芯片62连接；能量采集由能量探测板64经能量采样保持芯片65和第二运放67与单片机2的输入端口P1.2相连，该单片机2的数字输出端口P2.1与能量探测板64连接，向能量探测板64提供复位信号。

所述的单片机2，采用模糊控制算法对所采集的物理量进行数据处理，对激光二极管泵浦源实行智能控制。

所述的ADuc812单片机2和五个子模块实现不同的功能。

LD驱动模块3为LD提供重复脉冲信号，由单片机2提供准确的时序，驱动电流的大小可以通过上位机53接收指令来改变，该LD驱动信号由ADuc812的模拟接口输出，经过放大环节提供给LD。调Q电路模块4提供和LD触发脉冲相配合的TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑)电平调Q信号，也是由单片机2提供准确时序，通过数字接口输出。状态检测模块6需要采集两个状态参数：LD电流和能量值，电流信号可以从电路中直接采集，能量值由特定的能量探测板64提供，在电流稳定后，由单片机2发出采样信号，并将采集来的状态值通过串行接口显示在人机交互界面上，让工作人员可以实时监测LD的工作状态。人机交互模块采用ADM202电平转换芯片和RS-232串行接口实现单片机与上位机之间的双向数据传输，同时在上位机上显示状态参数并接收控制指令。

本实施例中温度传感器11采用热敏电阻，温度的改变会导致热敏电阻阻值的变化，与电阻分压后温度变化转换成电压变化，送给ADuc812的模拟输入端口P1.0，采集来的温度值经过多路开关20，再经ADC21转换后送入微处理器26，用事先编好的模糊逻辑控制算法进行数据处理，得到用于调节温度的控制数据，该控制数据通过DAC22转换成模拟信号，从模拟输出端口DAC0 23输出，经第四运放13跟随，输出到致冷器12，从而起到温度控制的作用。

LD驱动模块3包括第三运放31和LD触发电路32，LD脉冲触发信号由ADuc8122的模拟输出端口DACl 24，经过第三运放31跟随后，提供给LD触发电路32，输出信号的大小由上位机53发出的指令决定。

调Q电路模块4比较简单，ADuc812的数字输出端口P2.0直接与调Q电路板4连接，由单片机ADuc812提供和LD脉冲触发信号相匹配的调Q信号。

状态检测模块6需要采集LD电流和能量，61为LD电流采集点，62为电流采样保持芯片，63为第一运放，64为能量探测板，65为能量采样保持芯片，67为第二运放，ADuc812的模拟输入端口P1.1用于LD电流的采集，在LD触发信号变成高电平后，延迟大于100μs的时间，待LD电流达到稳定状态，此时由数字输出端口P2.7输出高电平，触发LF398电流采样保持芯片62，采样得到的电流值经过第一运放63跟随，输入到ADuc8122的P1.1口。同理，P1.2口用于采集能量值，P2.6口用于触发能量采样保持芯片65，第二运放67用于跟随，不同的是，能量探测板64需要另外提供一个复位信号，由输出端口P2.1提供。

人机交互模块5，串口269外接ADM202电平转换芯片51，经由九针串行接口DB952和上位机53连接，用于串行通讯。本例采用了四运放集成芯片OP481，分别为A、B、C、D四路，分别为第一运放63、第二运放67、第三运放31、第四运放13，它们为模拟信号的输入输出端口提供跟随，以提高驱动能力。本例采集到的LD电流、能量和温度信号通过上位机53显示给工作人员，用于检测工作状态。

系统软件由主程序、初始化程序和中断程序等组成。图3所示是本例的主程序流程图，在完成ADC/DAC初始化、串口初始化和定时器的初始化后进入循环，等待定时器中断。本系统的主要功能是通过两个定时器中断程序完成的，定时器0中断程序的流程图如图4所示，用于发出重复频率20Hz的LD电流触发信号和调Q信号，而定时器1中断程序用于温度的采集和控制，流程图如图5所示，考虑到温度是一个缓变量，本例温度采样的时间间隔为1秒，A/D转换后的采样值通过数字滤波算法消除可能附加在数据中的各种干扰，接着调用标度转换程序算出采样电压对应的温度值，送给模糊温度控制算法子程序，算出控制量输出到执行元件。

图6所示为本例采用的模糊控制算法流程图。模糊控制是一种智能化的控制方法，是基于人们在生产活动中积累的一系列经验得出控制规则，运用微机程序来实现这些控制规则，从而代替了人对被控对象进行自动控制方法。模糊控制具有以下几个特点：它不需要知道被控对象或过程的精确数学模型；易于实现对不确定性系统和强非线性系统的控制；对被控对象或过程参数的变化有较强的鲁棒性；对干扰有较强的抑制能力。在很多应用场合，工作环境有可能出现未知扰动，这些因素都会影响到数学模型中的具体参数，所以我们需要一种鲁棒性好的控制方法，不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在对象模型发生较大改变的情况下，也获得良好的控制效果，所以选择了模糊控制的方法。模糊控制器的设计包括以下几项内容：

(1)确定模糊控制器的输入变量和输出变量；

(2)选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域；

(3)确立模糊化和非模糊化的方法；

(4)设计模糊控制器的控制规则。

本例中采用的是二维模糊控制器，也就是两个输入变量：误差e和误差变化ec，一个输出变量：控制量u。采样得到的温度值与设定温度值比较得到误差，对误差求导得到误差变化，采用二维控制器的目的在于使控制更精细。本例中确定：

e的论域为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6]；

e的模糊集为[NB，NM，NO，PO，PS，PM，PB]；

ec的论域为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]；

ec的模糊集为[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]；

u的论域为[-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7]；

u的模糊集为[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]；

上述模糊集当中的NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，NO表示负零，ZE表示零，PO表示正零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，用这些词汇来描述输入输出量。选择的词汇越多，分级越细，控制精度越高，但是考虑到算法的实现，也不宜选择过多。

根据控制经验得到一系列模糊推理规则，如ife＝NB and ec＝NB thenu＝PB，这样共有8×7＝56条，根据这些规则可归结为一个模糊关系：

        R＝U(E×EC)×U

可求得：U＝(E×EC)·R

解模糊采用加权平均法，将模糊量U转换成精确量u。

通过上面的模糊化、模糊推理和解模糊的过程，最终得到系统的模糊控制表如下表所示：

此控制表放在ADuc812的闪速/电擦除数据存储器267中，实时控制时，用查表的方法获得控制量，这种方法运算量小，响应速度快，资源开支少。

本实用新型经试用表明：本实用新型激光二极管泵浦源的控制系统具有体积小、功耗低、易于控制、功能强大、抗干扰能力强等优点。

Claims (7)

1、一种激光二极管泵浦源的控制系统，其特征是以一片单片机(2)为控制中心，设置五个子功能模块：温度采集和控制模块(1)、LD驱动模块(3)、调Q电路模块(4)、人机交互模块(5)和LD实时状态的检测模块(6)。

2、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的单片机(2)为ADuc812型号单片机，通过植入算法实现LD驱动信号和调Q信号的触发、模糊逻辑温度控制以及LD电流、能量的采样、控制和监测，采用频率为11.0592MHz的晶振与两个30pF的电容匹配，构成了单片机的时钟发生电路(7)；复位电路采用一个复位芯片(8)来完成，该复位芯片(8)在确保电流稳定安全的前提下触发单片机(2)复位接口的电复位。

3、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的温度采集和控制模块(1)由温度传感器(11)、第四运放(13)和致冷器(12)组成，温度传感器(11)实时采样激光二极管工作的温度值并转化为模拟电压信号，传输给所述的单片机(2)，在单片机内完成模数转换和模糊逻辑计算，得到的控制量经过数模转换器变成模拟电压信号，从模拟输出端口(23)输出，经第四运放(13)跟随，输出到致冷器(12)，控制其加热或致冷的功率，调节激光二极管的工作温度为设定温度。

4、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的LD驱动模块(3)包括第三运放(31)和LD触发电路(32)，LD脉冲触发信号由单片机(2)的模拟输出端口(24)，经过第三运放(31)跟随后，提供给LD触发电路(32)，输出信号的大小由上位机(53)发出的指令决定。

5、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的调Q电路模块(4)，由单片机(2)提供与LD脉冲触发信号相匹配的调Q信号。

6、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的人机交互模块(5)由电平转换芯片(51)和RS-232串行接口(52)和上位机(53)组成，实现单片机(2)与上立机(53)之间的双向数据传输和数据显示。

7、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦源的控制系统，其特征在于所述的LD实时状态的检测模块(6)包括LD电流采集和能量采集两部分：电流采集由LD电流采集点(61)经电流采样保持芯片(62)、第一运放(63)与单片机(2)输入端口(P1.1)相连，该单片机(2)的数字输出端口(P2.7)与电流采样保持芯片(62)连接；能量采集由能量探测板(64)经能量采样保持芯片(65)和第二运放(67)与单片机(2)的输入端口(P1.2)相连，该单片机(2)的数字输出端口(P2.1)与能量探测板(64)连接，向能量探测板(64)提供复位信号。

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