基于DSP的精密半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源系統(tǒng)

摘  要：本文介紹了一種DSP控制的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源的設(shè)計。主電源采用電流負反饋式恒流源電路，控制和保護電路以TI公司的TMS320F2812為核心，外加外圍驅(qū)動電路和硬件保護電路，DSP能夠準確控制輸出電流大小。

關(guān)鍵詞：DSP；TMS320F2812；半導(dǎo)體激光器；恒流源

引言

目前，半導(dǎo)體激光(LD)已廣泛應(yīng)用于通信、信息檢測、醫(yī)療和精密加工與軍事等許多領(lǐng)域。激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到整個激光器裝置的技術(shù)指標。本設(shè)計采用受DSP控制的恒流源來為半導(dǎo)體激光器提供電流，在電路中，利用負反饋原理，控制復(fù)合功率調(diào)整管輸出電流，以達到穩(wěn)定輸出電流的目的。該系統(tǒng)采用電路設(shè)計和程序控制算法設(shè)計相結(jié)合的方法，從多方面對半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)進行實時檢測和控制，使系統(tǒng)的性能得到很大的改善和提高，有效解決了半導(dǎo)體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性問題，進一步提高了半導(dǎo)體激光器的輸出指標。

系統(tǒng)原理

要使激光器輸出穩(wěn)定波長的激光，則要求流過激光器的電流非常穩(wěn)定，所以供電電路選擇低噪聲、穩(wěn)定的恒流源。恒流源電流可以在0A~3A之間連續(xù)可調(diào)，以適應(yīng)不同規(guī)格的激光器。目前，半導(dǎo)體激光器電源的二次開發(fā)中一般采用的都是純硬件電路系統(tǒng)或者單片機控制。隨著嵌入式微處理器的迅猛發(fā)展，基于DSP的數(shù)字化控制能更有效地解決半導(dǎo)體激光工作的穩(wěn)定、準確和可靠性問題。DSP二次開發(fā)的原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

由DSP輸出的電壓控制信號輸出給運放，經(jīng)運算放大器放大后輸出，來控制由三極管8050和調(diào)整管TIP122組成的復(fù)合調(diào)整管。調(diào)整管的發(fā)射極串聯(lián)一個繼電器和一個大功率采樣電阻。從采樣電阻的兩端取電壓信號送給差分放大電路U2，從而得到取樣電阻上的電壓。

該路電壓信號通過一個電壓跟隨器，進入由DSP控制的ADC的模擬信號輸入通道，由ADC將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由DSP將轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理。取樣電阻選擇0.15Ω的大功率金屬膜電阻，該電阻要求有較好的溫度系數(shù)。運算放大器U1的放大倍數(shù)決定電流的控制精度，放大倍數(shù)越小，電流的輸出精度越高。同時差分反饋電路U2的放大倍數(shù)也將影響電流的控制精度，其放大倍數(shù)越大，電流的穩(wěn)定度越高，但電流的輸出范圍變小。在控制電壓一定的情況下，準確選擇運算放大器U1的倍數(shù)和差分反饋電路U2的放大倍數(shù)，將成為決定恒流源的電流輸出精度和電流輸出范圍的重要因素。
　　
TMS320F2812控制系統(tǒng)

該設(shè)計電路以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心。該電源由控制電路、保護電路和主回路等幾部分組成，DSP在其中起核心作用。其控制任務(wù)主要為：

1. 控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用DSP芯片自帶的12位ADC，根據(jù)采樣信號經(jīng)過PID運算處理后進行控制。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動命令由F2812的引腳XF控制，即通過軟件設(shè)置引腳XF為高電平，來控制ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，信號BUSY將變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)F2812中斷，將數(shù)據(jù)從16位數(shù)據(jù)線D[15:0]立即讀出。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)碼為二進制補碼，F(xiàn)2812將接收到的數(shù)據(jù)處理后，進行緩存，同時送到LCD實時顯示。

2. 采用一片DAC7724芯片與DSP接口。該芯片為4通道12路雙緩沖的DAC，用其中的2路設(shè)定輸出電壓基準和電流最大值限制基準。

3. 人機接口電路。LCD和8279分別作為外部I/O設(shè)備與DSP相連。LCD用來顯示電流、電壓、功率，以及故障顯示和報警。

4. 故障檢測。故障檢測電路的中斷信號輸入到DSP的XINT2腳，如果有下降沿的中斷產(chǎn)生，則通過GPIO口線GPIO8和GPIO9，分別檢測過壓、過流信號。
　　
數(shù)字濾波器及系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)字濾波器設(shè)計

針對本項目以往開發(fā)過程中對電流濾波設(shè)計存在的不足，現(xiàn)引進基于TMS320F2812的數(shù)字濾波器對電流采樣信號進行濾波。為了快速方便地設(shè)計濾波器，直接利用TI公司提供的filter library函數(shù)庫進行設(shè)計。設(shè)計步驟如下：按照實際任務(wù)要求，確定濾波器性能指標；在Matlab中，調(diào)用filter library庫中的ezfir函數(shù)，進行仿真；根據(jù)仿真結(jié)果，確定各參數(shù)的值；調(diào)用filter library庫中的filter.asm DSP匯編程序模塊，并把Matlab中的仿真參數(shù)值復(fù)制到程序中，在F2812上實現(xiàn)濾波。
系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。上電以后，系統(tǒng)開始自檢，自檢完成后，進入系統(tǒng)初始化，包括DSP、DAC、LCD，以及DSP內(nèi)部的中斷控制器和計數(shù)器等。系統(tǒng)準備好后，進入開機畫面。開啟鍵盤中斷等待按鍵選擇相應(yīng)功能。若“參數(shù)設(shè)定”為選中狀態(tài)，按下工作鍵，進入“參數(shù)設(shè)置”界面，可以對電壓、電流和功率值進行設(shè)定。設(shè)定完成返回開機畫面，啟動激光器工作。系統(tǒng)進入運行狀態(tài)后，用戶仍然可以在不終止激光器工作的情況下設(shè)置新值，設(shè)定完備后，激光器按新要求輸出激光。
系統(tǒng)自檢和控制過程中出錯或系統(tǒng)過流、過壓時，會自動調(diào)用保護程序。當系統(tǒng)關(guān)閉或突然斷電時，為防止激光器兩端電壓驟降為零，系統(tǒng)采取滿關(guān)閉方法，其原理是：將采樣值逐步輸出降低，直到降為零才允許關(guān)機。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 恒流源控制曲線圖

結(jié)語

本文實驗確定U1、U2的放大倍數(shù)都為1，輸出電流0A~3A可調(diào)，激光器輸出功率0W~2W可調(diào)。引進DSP控制系統(tǒng)，較以往單片機控制有了明顯的改善。主要表現(xiàn)在：由于TMS320F2812集成度高，性能好，使該系統(tǒng)具有體積小、速度快、處理能力強、可靠性高以及功耗低的優(yōu)點；在TMS320F2812中實現(xiàn)數(shù)字濾波方法簡單，提高了開發(fā)效率。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動及保護電路設(shè)計完畢后，焊接調(diào)試。表1為恒流源在25℃時的控制電壓與輸出電流之間的關(guān)系。圖3是根據(jù)表1的數(shù)據(jù)繪制的恒流源控制曲線圖。輸出電壓的范圍為0V~5V，輸出電流誤差率為0.1%。輸出電壓與電流成線性關(guān)系，符合要求。
 
參考文獻
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