基于cpld的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，包括微控制單元、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器、CPLD控制芯片、泵浦源、脈沖光纖激光器和光電信號處理單元，所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器發(fā)出的反饋信號從而實現(xiàn)對所述脈沖光纖激光器驅(qū)動電源的整體控制，包括激光器功率的設(shè)定、調(diào)節(jié)、泵浦源功率的調(diào)節(jié)，控制激光器的穩(wěn)恒輸出、激光器工作溫度的調(diào)節(jié)、功率的反饋，聲光調(diào)制器的脈寬調(diào)制調(diào)制。根據(jù)本發(fā)明的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)可以通過具有成本效益和計算速度優(yōu)勢的CPLD芯片來實現(xiàn)激光器的電源控制，特別是溫度和功率的調(diào)節(jié)控制，其具有成本低廉、控制電路簡單易實現(xiàn)的特點，且反饋速度快，控制靈敏。
【專利說明】基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及脈沖光纖激光器領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在精密加工領(lǐng)域，激光功率是激光器最主要的參量之一，激光輸出功率嚴重的影響著激光加工的質(zhì)量。在激光加工過程中，如何能實時監(jiān)控激光功率的變化，提高激光功率的穩(wěn)定性和控制精度，對產(chǎn)品的精密加工有著極其重要的作用。
[0003]目前，在光纖激光器、光通信、光傳感等領(lǐng)域控制系統(tǒng)已經(jīng)成為了一個比較重要的部分。主要的控制系統(tǒng)一般采用模擬電路與處理器或嵌入式相結(jié)合的方法進行控制，主要的控制算法多采用PID控制。處理器主要采用單片機、DSP、ARM等芯片進行控制。軟件算法主要有負反饋算法、增量式PID算法、模糊PID算法等。近年來，隨著控制器件特別是微控制器技術(shù)的不斷進步，光源的控制方式也特到了快速發(fā)展，以單片機、DSP和ARM等器件為核心的控制系統(tǒng)先后被提出。
[0004]在整個脈沖光纖激光器的系統(tǒng)中，驅(qū)動電源主要包括半導體激光器的驅(qū)動電源和聲光調(diào)制器的驅(qū)動電源。而要實現(xiàn)整個激光器的運轉(zhuǎn)對其驅(qū)動電源的控制至關(guān)重要。主要分為功率穩(wěn)恒、溫度穩(wěn)恒、聲光調(diào)制器的脈沖控制、功率分配等。
[0005]目前，有針對光纖激光器的泵浦源半導體激光器做出了溫度和功率專用的控制模塊，可以實現(xiàn)溫度和功率的恒定。如Wavelength公司、ILXLightwave公司、Thorlabs公司等。優(yōu)點是控制精確，并且模塊化，但其缺點是體積大且價格昂貴，調(diào)節(jié)范圍受到一定限制，不易于整合到光纖激光器系統(tǒng)。整合到光纖激光器中的控制系統(tǒng)目前主要是各大光纖激光器生產(chǎn)公司如IPG、SPI等公司的產(chǎn)品。但其控制系統(tǒng)主要是針對激光打標的控制，即與上位機的通信等，對溫度和功率的控制做得不夠精準。國內(nèi)的主要激光器生產(chǎn)公司如武漢銳科公司甚至沒有考慮溫度的控制，只是單純的風冷。這就導致其輸出功率和中心波長都不太穩(wěn)定。
[0006]因此，在激光加工過程中，如何能實時監(jiān)控激光功率的變化，提高激光功率的穩(wěn)定性和控制精度，對產(chǎn)品的精密加工有著極其重要的作用。此類型激光器其功率值在不同的加工設(shè)計中其平均功率是變化的，這就給光功率的實時采集和控制帶來了麻煩。
[0007]因此，需要一種價格成本低廉且穩(wěn)定的脈沖激光器驅(qū)動電源系統(tǒng)，能克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，包括微控制單元、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器、CPLD控制芯片、泵浦源、脈沖光纖激光器和光電信號處理單元，其中，所述微控制單元包括主芯片、JTAG下載電路、寄存器、復位電路、晶振、電源，接收來自上位機的信號和指令，進行初始化設(shè)置、功率設(shè)定和功率鎖存，并輸出為可用于輸出到后端模塊的數(shù)字控制信號；所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器將來自所述微控制單元輸出的信號轉(zhuǎn)化為模擬信號進行輸出；所述多路選擇器用于在來自所述CPLD控制芯片輸出的選控信號控制下對所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的多路模擬信號進行選擇；所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器發(fā)出的反饋信號從而實現(xiàn)對所述脈沖光纖激光器驅(qū)動電源的整體控制，包括激光器功率的設(shè)定、調(diào)節(jié)、泵浦源功率的調(diào)節(jié)，控制激光器的穩(wěn)恒輸出、激光器工作溫度的調(diào)節(jié)、功率的反饋，聲光調(diào)制器的脈寬調(diào)制調(diào)制；所述激光器用于在所述CPLD控制芯片的控制下，接收來自所述泵浦源的泵浦光發(fā)出所需的脈沖激光信號；以及光電信號處理單元采集來自所述激光器的功率信號，轉(zhuǎn)換處理后送入所述微控制單元進行反饋控制。
[0009]優(yōu)選地，所述上位機是激光打標控制系統(tǒng)或激光編碼控制系統(tǒng)。
[0010]優(yōu)選地，所述微控制單元通過其內(nèi)部的寄存器對激光器的功率進行鎖存。
[0011 ] 優(yōu)選地，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器為12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
[0012]優(yōu)選地，所述多路選擇器為三通道多路選擇器，三個控制端從六路數(shù)據(jù)中選擇三路。
[0013]優(yōu)選地，所述泵浦源為主振蕩和功率放大(MO-PA)結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，所述CPLD控制芯片通過熱敏電阻作為傳感器采集來自光路部分的溫度信號進行溫度控制。
[0015]優(yōu)選地，所述溫度調(diào)節(jié)采用PID增量控制算法。
[0016]優(yōu)選地，所述光電信號處理單兀包括光電轉(zhuǎn)換器模塊和小信號處理模塊。
[0017]優(yōu)選地，所述小信號處理模塊采用兩級放大電路對光電轉(zhuǎn)換器模塊采集到的微弱光信號進行放大。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)可以通過具有成本效益和計算速度優(yōu)勢的CPLD芯片來實現(xiàn)激光器的電源控制，特別是溫度和功率的調(diào)節(jié)控制，其具有成本低廉、控制電路簡單易實現(xiàn)的特點，且反饋速度快，控制靈敏。
[0019]應(yīng)當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當用作對本發(fā)明所要求保護內(nèi)容的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的上述和其他方面，附圖中:
[0021]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0022]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
【具體實施方式】
[0023]通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。[0024]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)100包括微控制單元101、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103、多路轉(zhuǎn)換器104、CPLD控制芯片105、激光器108的泵浦源106、脈沖光纖激光器108和光電信號處理單元109。
[0025]微控制單元101接收來自上位機的信號和指令，處理為可用于輸出到后端模塊的數(shù)字控制信號。上位機例如是激光打標控制系統(tǒng)、激光編碼控制系統(tǒng)等供用戶進行輸入，使用戶發(fā)出控制指令至下位機的軟件或系統(tǒng)模塊。來自上位機的數(shù)據(jù)可以通過控制線(例如USB總線)發(fā)送給為控制單元101，從而傳輸?shù)较挛粰C用于控制脈沖光纖激光器108的電源。
[0026]微控制單元101包括主芯片、JTAG下載電路、寄存器、復位電路、晶振、電源等模塊，為了簡明起見未在圖中示出。微控制單元101的基本工作原理為:當該微控制單元101檢測到來自上位機發(fā)送的初始化信號時，首先對該微控制單元101進行初始化設(shè)置；當檢測到來自上位機發(fā)送的功率設(shè)定信號時，對該功率值進行處理以便發(fā)送到下位機的激光器108進行激光器108的功率設(shè)定；當通過其管腳接收到功率鎖存信號(例如以上升沿觸發(fā)的方式)到來時，通過其內(nèi)部的寄存器對此時激光器108的功率進行鎖存。
[0027]微控制單元101接收到的來自上位機的功率設(shè)定信號為數(shù)字信號，需要轉(zhuǎn)換成模擬信號以提供給后續(xù)單元，因此，通過雙路的第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103進行數(shù)模信號轉(zhuǎn)換。第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103優(yōu)選為12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。每個DAC的輸出擺幅均為OV到(VREF-1LSB)，對應(yīng)的輸入碼范圍是0x000到OxFFF。可以通過微控制單元101中的控制寄存器發(fā)出控制信號來使能/禁止第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103。在被禁止時，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103的輸出保持在高阻狀態(tài)，供電電流降到I μ A或更小。
[0028]多路選擇器104用于對第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器102和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器103輸出的多路模擬信號進行選擇。優(yōu)選地，所用的多路選擇器為三通道多路選擇器，三個控制端從六路數(shù)據(jù)中選擇三路，其功能表如表1所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，包括微控制單元、第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器、第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換器、CPLD控制芯片、泵浦源、脈沖光纖激光器和光電信號處理單元，其中， 所述微控制單元包括主芯片、JTAG下載電路、寄存器、復位電路、晶振、電源，接收來自上位機的信號和指令，進行初始化設(shè)置、功率設(shè)定和功率鎖存，并輸出為可用于輸出到后端模塊的數(shù)字控制信號； 所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器將來自所述微控制單元輸出的信號轉(zhuǎn)化為模擬信號進行輸出； 所述多路選擇器用于在來自所述CPLD控制芯片輸出的選控信號控制下對所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的多路模擬信號進行選擇； 所述CPLD控制芯片用于接收所述激光器發(fā)出的反饋信號從而實現(xiàn)對所述脈沖光纖激光器驅(qū)動電源的整體控制，包括激光器功率的設(shè)定、調(diào)節(jié)、泵浦源功率的調(diào)節(jié)，控制激光器的穩(wěn)恒輸出、激光器工作溫度的調(diào)節(jié)、功率的反饋，聲光調(diào)制器的脈寬調(diào)制調(diào)制； 所述激光器用于在所述CPLD控制芯片的控制下，接收來自所述泵浦源的泵浦光發(fā)出所需的脈沖激光信號；以及 光電信號處理單元采集來自所述激光器的功率信號，轉(zhuǎn)換處理后送入所述微控制單元進行反饋控制。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述上位機是激光打標控制系統(tǒng)或激光編碼控制系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中微控制單元通過其內(nèi)部的寄存器對激光器的功率進行鎖存。
4.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換器和所述第二數(shù)模轉(zhuǎn)換器為12位電壓方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述多路選擇器為三通道多路選擇器，三個控制端從六路數(shù)據(jù)中選擇三路。
6.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述泵浦源為主振蕩和功率放大(MO-PA)結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述CPLD控制芯片通過熱敏電阻作為傳感器采集來自光路部分的溫度信號進行溫度控制。
8.如權(quán)利要求1或7所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述溫度調(diào)節(jié)采用PID增量控制算法。
9.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述光電信號處理單元包括光電轉(zhuǎn)換器模塊和小信號處理模塊。
10.如權(quán)利要求9所述的驅(qū)動電源控制系統(tǒng)，其中所述小信號處理模塊采用兩級放大電路對光電轉(zhuǎn)換器模塊采集到的微弱光信號進行放大。
【文檔編號】H01S3/09GK103606811SQ201310673754
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】張蔭民, 祝連慶, 駱飛, 周哲海, 董明利, 婁小平 申請人:北京信息科技大學