基于DSP的精密半導體激光驅動電源系統

摘  要：本文介紹了一種DSP控制的半導體激光驅動電源的設計。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，外加外圍驅動電路和硬件保護電路，DSP能夠準確控制輸出電流大小。

關鍵詞：DSP；TMS320F2812；半導體激光器；恒流源

引言

目前，半導體激光(LD)已廣泛應用于通信、信息檢測、醫(yī)療和精密加工與軍事等許多領域。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指標。本設計采用受DSP控制的恒流源來為半導體激光器提供電流，在電路中，利用負反饋原理，控制復合功率調整管輸出電流，以達到穩(wěn)定輸出電流的目的。該系統采用電路設計和程序控制算法設計相結合的方法，從多方面對半導體激光器的工作狀態(tài)進行實時檢測和控制，使系統的性能得到很大的改善和提高，有效解決了半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性問題，進一步提高了半導體激光器的輸出指標。

系統原理

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，以適應不同規(guī)格的激光器。目前，半導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的數字化控制能更有效地解決半導體激光工作的穩(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 系統原理圖

由DSP輸出的電壓控制信號輸出給運放，經運算放大器放大后輸出，來控制由三極管8050和調整管TIP122組成的復合調整管。調整管的發(fā)射極串聯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換為數字信號，再由DSP將轉化的數字信號進行數據處理。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。運算放大器U1的放大倍數決定電流的控制精度，放大倍數越小，電流的輸出精度越高。同時差分反饋電路U2的放大倍數也將影響電流的控制精度，其放大倍數越大，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的倍數和差分反饋電路U2的放大倍數，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

該設計電路以數字信號處理器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。其控制任務主要為：

1. 控制數據采集系統。利用DSP芯片自帶的12位ADC，根據采樣信號經過PID運算處理后進行控制。數據轉換啟動命令由F2812的引腳XF控制，即通過軟件設置引腳XF為高電平，來控制ADC的數據轉換。數據轉換完成后，信號BUSY將變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)F2812中斷，將數據從16位數據線D[15:0]立即讀出。該系統的數據碼為二進制補碼，F2812將接收到的數據處理后，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生，則通過GPIO口線GPIO8和GPIO9，分別檢測過壓、過流信號。
　　
數字濾波器及系統軟件設計

數字濾波器設計

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

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

圖2 系統工作流程

圖3 恒流源控制曲線圖

結語

本文實驗確定U1、U2的放大倍數都為1，輸出電流0A~3A可調，激光器輸出功率0W~2W可調。引進DSP控制系統，較以往單片機控制有了明顯的改善。主要表現在：由于TMS320F2812集成度高，性能好，使該系統具有體積小、速度快、處理能力強、可靠性高以及功耗低的優(yōu)點；在TMS320F2812中實現數字濾波方法簡單，提高了開發(fā)效率。半導體激光器的驅動及保護電路設計完畢后，焊接調試。表1為恒流源在25℃時的控制電壓與輸出電流之間的關系。圖3是根據表1的數據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系，符合要求。
 
參考文獻
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