基于DSP的精密半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的設(shè)計(jì)。主電源采用電流負(fù)反饋式恒流源電路，控制和保護(hù)電路以TI公司的TMS320F2812為核心，外加外圍驅(qū)動(dòng)電路和硬件保護(hù)電路，DSP能夠準(zhǔn)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(cè)、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(gè)激光器裝置的技術(shù)指標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用受DSP控制的恒流源來(lái)為半導(dǎo)體激光器提供電流，在電路中，利用負(fù)反饋原理，控制復(fù)合功率調(diào)整管輸出電流，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的。該系統(tǒng)采用電路設(shè)計(jì)和程序控制算法設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，從多方面對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)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(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問(wèn)題，進(jìn)一步提高了半導(dǎo)體激光器的輸出指標(biāo)。

系統(tǒng)原理

要使激光器輸出穩(wěn)定波長(zhǎng)的激光，則要求流過(guò)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(jī)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(zhǔn)確和可靠性問(wèn)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(hào)輸出給運(yùn)放，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸出，來(lái)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(gè)繼電器和一個(gè)大功率采樣電阻。從采樣電阻的兩端取電壓信號(hào)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(hào)通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，進(jìn)入由DSP控制的ADC的模擬信號(hào)輸入通道，由ADC將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由DSP將轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(yùn)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(shí)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(zhǔn)確選擇運(yùn)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(jì)電路以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812為核心。該電源由控制電路、保護(hù)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(hào)經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理后進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)命令由F2812的引腳XF控制，即通過(guò)軟件設(shè)置引腳XF為高電平，來(lái)控制ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，信號(hào)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(jìn)制補(bǔ)碼，F(xiàn)2812將接收到的數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行緩存，同時(shí)送到LCD實(shí)時(shí)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(zhǔn)和電流最大值限制基準(zhǔn)。

3. 人機(jī)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(lái)顯示電流、電壓、功率，以及故障顯示和報(bào)警。

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

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

針對(duì)本項(xiàng)目以往開發(fā)過(guò)程中對(duì)電流濾波設(shè)計(jì)存在的不足，現(xiàn)引進(jìn)基于TMS320F2812的數(shù)字濾波器對(duì)電流采樣信號(hào)進(jìn)行濾波。為了快速方便地設(shè)計(jì)濾波器，直接利用TI公司提供的filter library函數(shù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟如下：按照實(shí)際任務(wù)要求，確定濾波器性能指標(biāo)；在Matlab中，調(diào)用filter library庫(kù)中的ezfir函數(shù)，進(jìn)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(kù)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(shí)現(xiàn)濾波。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jìn)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(jì)數(shù)器等。系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，進(jìn)入開機(jī)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(jìn)入“參數(shù)設(shè)置”界面，可以對(duì)電壓、電流和功率值進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定完成返回開機(jī)畫面，啟動(dòng)激光器工作。系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)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(guò)程中出錯(cuò)或系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用保護(hù)程序。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉或突然斷電時(shí)，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(jī)。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 恒流源控制曲線圖

結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)驗(yàn)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(jìn)DSP控制系統(tǒng)，較以往單片機(jī)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(qiáng)、可靠性高以及功耗低的優(yōu)點(diǎn)；在TMS320F2812中實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波方法簡(jiǎn)單，提高了開發(fā)效率。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)完畢后，焊接調(diào)試。表1為恒流源在25℃時(shí)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(xiàn)
1. ZOU Wen-dong, GAO YI-qing. Semiconductor laser power supply controledby sing-chip microcomputer [J]. Laser Journal. 2002，23(4)：70-71  
2. Fu Yan-jun. ZOU Wen-dong . Optic power control of LD driver circuit[J].紅外與激光工程.1007-2276(2005)05-0626-05TI DSP TOOLBOX[M/CD].2002.5