基于cpld的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統的制作方法
【專利摘要】一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統，包括微控制單元、第一數模轉換器、第二數模轉換器、多路轉換器、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出的反饋信號從而實現對所述脈沖光纖激光器驅動電源的整體控制，包括激光器功率的設定、調節、泵浦源功率的調節，控制激光器的穩恒輸出、激光器工作溫度的調節、功率的反饋，聲光調制器的脈寬調制調制。根據本發明的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統可以通過具有成本效益和計算速度優勢的CPLD芯片來實現激光器的電源控制，特別是溫度和功率的調節控制，其具有成本低廉、控制電路簡單易實現的特點，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動電源控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及脈沖光纖激光器領域。具體而言，本發明涉及一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統。
【背景技術】
[0002]在精密加工領域，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量。在激光加工過程中，如何能實時監控激光功率的變化，提高激光功率的穩定性和控制精度，對產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、光傳感等領域控制系統已經成為了一個比較重要的部分。主要的控制系統一般采用模擬電路與處理器或嵌入式相結合的方法進行控制，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的不斷進步，光源的控制方式也特到了快速發展，以單片機、DSP和ARM等器件為核心的控制系統先后被提出。
[0004]在整個脈沖光纖激光器的系統中，驅動電源主要包括半導體激光器的驅動電源和聲光調制器的驅動電源。而要實現整個激光器的運轉對其驅動電源的控制至關重要。主要分為功率穩恒、溫度穩恒、聲光調制器的脈沖控制、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，可以實現溫度和功率的恒定。如Wavelength公司、ILXLightwave公司、Thorlabs公司等。優點是控制精確，并且模塊化，但其缺點是體積大且價格昂貴，調節范圍受到一定限制，不易于整合到光纖激光器系統。整合到光纖激光器中的控制系統目前主要是各大光纖激光器生產公司如IPG、SPI等公司的產品。但其控制系統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。國內的主要激光器生產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定。
[0006]因此，在激光加工過程中，如何能實時監控激光功率的變化，提高激光功率的穩定性和控制精度，對產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定的脈沖激光器驅動電源系統，能克服現有技術中的缺陷。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統，包括微控制單元、第一數模轉換器、第二數模轉換器、多路轉換器、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，進行初始化設置、功率設定和功率鎖存，并輸出為可用于輸出到后端模塊的數字控制信號；所述第一數模轉換器和第二數模轉換器將來自所述微控制單元輸出的信號轉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模轉換器和第二數模轉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出的反饋信號從而實現對所述脈沖光纖激光器驅動電源的整體控制，包括激光器功率的設定、調節、泵浦源功率的調節，控制激光器的穩恒輸出、激光器工作溫度的調節、功率的反饋，聲光調制器的脈寬調制調制；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，轉換處理后送入所述微控制單元進行反饋控制。
[0009]優選地，所述上位機是激光打標控制系統或激光編碼控制系統。
[0010]優選地，所述微控制單元通過其內部的寄存器對激光器的功率進行鎖存。
[0011 ] 優選地，所述第一數模轉換器和所述第二數模轉換器為12位電壓方式數/模轉換器。
[0012]優選地，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據中選擇三路。
[0013]優選地，所述泵浦源為主振蕩和功率放大(MO-PA)結構。
[0014]優選地，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]優選地，所述溫度調節采用PID增量控制算法。
[0016]優選地，所述光電信號處理單兀包括光電轉換器模塊和小信號處理模塊。
[0017]優選地，所述小信號處理模塊采用兩級放大電路對光電轉換器模塊采集到的微弱光信號進行放大。
[0018]根據本發明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統可以通過具有成本效益和計算速度優勢的CPLD芯片來實現激光器的電源控制，特別是溫度和功率的調節控制，其具有成本低廉、控制電路簡單易實現的特點，且反饋速度快，控制靈敏。
[0019]應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]結合附圖詳細描述了本發明的上述和其他方面，附圖中:
[0021]圖1示意性地示出了根據本發明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統的系統框圖。
[0022]在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。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，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發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。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。[0024]圖1示意性地示出了根據本發明的基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統的系統框圖。根據本發明的驅動電源控制系統100包括微控制單元101、第一數模轉換器102、第二數模轉換器103、多路轉換器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字控制信號。上位機例如是激光打標控制系統、激光編碼控制系統等供用戶進行輸入，使用戶發出控制指令至下位機的軟件或系統模塊。來自上位機的數據可以通過控制線(例如USB總線)發送給為控制單元101，從而傳輸到下位機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送的初始化信號時，首先對該微控制單元101進行初始化設置；當檢測到來自上位機發送的功率設定信號時，對該功率值進行處理以便發送到下位機的激光器108進行激光器108的功率設定；當通過其管腳接收到功率鎖存信號(例如以上升沿觸發的方式)到來時，通過其內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定信號為數字信號，需要轉換成模擬信號以提供給后續單元，因此，通過雙路的第一數模轉換器102和第二數模轉換器103進行數模信號轉換。第一數模轉換器102和第二數模轉換器103優選為12位電壓方式數/模轉換器。每個DAC的輸出擺幅均為OV到(VREF-1LSB)，對應的輸入碼范圍是0x000到OxFFF。可以通過微控制單元101中的控制寄存器發出控制信號來使能/禁止第一數模轉換器102和第二數模轉換器103。在被禁止時，第一數模轉換器102和第二數模轉換器103的輸出保持在高阻狀態，供電電流降到I μ A或更小。
[0028]多路選擇器104用于對第一數模轉換器102和第二數模轉換器103輸出的多路模擬信號進行選擇。優選地，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據中選擇三路，其功能表如表1所示。
【權利要求】
1.一種基于CPLD的脈沖光纖激光器驅動電源控制系統，包括微控制單元、第一數模轉換器、第二數模轉換器、多路轉換器、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，進行初始化設置、功率設定和功率鎖存，并輸出為可用于輸出到后端模塊的數字控制信號； 所述第一數模轉換器和第二數模轉換器將來自所述微控制單元輸出的信號轉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模轉換器和第二數模轉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出的反饋信號從而實現對所述脈沖光纖激光器驅動電源的整體控制，包括激光器功率的設定、調節、泵浦源功率的調節，控制激光器的穩恒輸出、激光器工作溫度的調節、功率的反饋，聲光調制器的脈寬調制調制； 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，轉換處理后送入所述微控制單元進行反饋控制。
2.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，其中所述上位機是激光打標控制系統或激光編碼控制系統。
3.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，其中微控制單元通過其內部的寄存器對激光器的功率進行鎖存。
4.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，其中所述第一數模轉換器和所述第二數模轉換器為12位電壓方式數/模轉換器。
5.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，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據中選擇三路。
6.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，其中所述泵浦源為主振蕩和功率放大(MO-PA)結構。
7.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，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.如權利要求1或7所述的驅動電源控制系統，其中所述溫度調節采用PID增量控制算法。
9.如權利要求1所述的驅動電源控制系統，其中所述光電信號處理單元包括光電轉換器模塊和小信號處理模塊。
10.如權利要求9所述的驅動電源控制系統，其中所述小信號處理模塊采用兩級放大電路對光電轉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 優先權日:2013年12月11日
【發明者】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