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基于网络的分布控制式半导体激光器阵列设计方案
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2017-11-15
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本项目基于Cerebot32M*4板子作为系统的主控制器，设计一种全新架构的大功率半导体激光器系统，针对大功率激光二极管的工作特点，设置相应的传感器，并将这些传感器采集的信号统一送至PIC32控制板，有PIC32单片机控制各个激光模块的工作状态。具有创新性的是，利用网络模块可将PIC单片机处理的信号在网页上实时监控，并且，当某个激光模块出现故障时，系统能够检测出故障并自动启动备用模块，保证了整个激光器系统的正常工作。广泛应用与工业加工，医疗等行业。
1.系统整体架构：
本系统以Digilent公司的Cerebot32M*4开发板作为主控核心，通过外部扩展的Pmod网络模块实现组网与远程控制功能。针对大功率半导体激光器的工作特点，设置了数字式的电流，电压采样传感器，功率采样传感器，单总线温度传感器。控制部分包括了软启动电路，TEC制冷温控模块以及激光二极管控制电路。上述传感器将采集信号传送给PIC32控制器，由其将信号处理后输出相应的控制信号，并将工作状态参量上传网络，实现远程监控。系统原理框图如图一。
图表 1系统整体原理图
2.主要模块介绍
2.1 激光二极管电流噪声传感模块
传统的激光二极管阵列装置的驱动电路，可以精确控制电流，但电路设计复杂，维护不便，且又仅靠模拟技术实现，无法与外部处理器进行数据交换，不能很好地监控激光管的工作状况。该装置采用PIC32单片机和和扩展传感器结合，当半导体激光器串联群中有一个或多个损坏，可以采用测量噪声的方式来检验和发现，并及时报警，从而确保整个系统工作的连续性、可靠性。
2.1.1电流噪声巡检原理
随着半导体激光器在各个领域的广泛应用，其自身的噪声性能也越来越受到人们的重视。对半导体激光器的噪声特性进行研究，不仅可以研究器件产生噪声的机理，制备低噪声器件，而且也可以依据器件的噪声大小对器件进行可靠性评估。激光器的电噪声主要是由于载流子的涨落引起的，引起载流子的涨落因素很多，如注入电流的涨落，载流子的复合和产生速率的涨落，光子发射和吸收速率的涨落，以及光增益涨落。通过对激光的电噪声测量，可以监测激光器的诸多参数和性能。作为应用而言，要求激光二极管应具有最低的电噪声和最高的稳定性，因为驱动电流的大小不仅会造成激光二极管的噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。
本系统中LD光功率采样模拟信号、电流采样信号及温度传感信号经放大后由A／D转换为数字信号，PIC32单片机接受此信号进行运算处理，反馈控制信号经D／A
转换后再分别送往激光器电流源电路，形成光功率的闭环控制。一旦有一个或多个激光二极管损坏，通过噪声巡检的方法及时发现并报警，同时通过PIC单片机自动启用备用激光二极管模块。保证系统的正常工作。
因为该系统需要控制多个数模转换器D／A及模数转换器A／D协调工作，如果由单片机直接控制，必然占用其过多的资源，因为单片机还需要控制显示、键盘和各种接口的工作，进而加重其工作负担。采用外部扩展A／D、D／A很好地解决了这个问题。
1.系统整体架构：
本系统以Digilent公司的Cerebot32M*4开发板作为主控核心，通过外部扩展的Pmod网络模块实现组网与远程控制功能。针对大功率半导体激光器的工作特点，设置了数字式的电流，电压采样传感器，功率采样传感器，单总线温度传感器。控制部分包括了软启动电路，TEC制冷温控模块以及激光二极管控制电路。上述传感器将采集信号传送给PIC32控制器，由其将信号处理后输出相应的控制信号，并将工作状态参量上传网络，实现远程监控。系统原理框图如图一。
图表 1系统整体原理图
2.主要模块介绍
2.1 激光二极管电流噪声传感模块
传统的激光二极管阵列装置的驱动电路，可以精确控制电流，但电路设计复杂，维护不便，且又仅靠模拟技术实现，无法与外部处理器进行数据交换，不能很好地监控激光管的工作状况。该装置采用PIC32单片机和和扩展传感器结合，当半导体激光器串联群中有一个或多个损坏，可以采用测量噪声的方式来检验和发现，并及时报警，从而确保整个系统工作的连续性、可靠性。
2.1.1电流噪声巡检原理
随着半导体激光器在各个领域的广泛应用，其自身的噪声性能也越来越受到人们的重视。对半导体激光器的噪声特性进行研究，不仅可以研究器件产生噪声的机理，制备低噪声器件，而且也可以依据器件的噪声大小对器件进行可靠性评估。激光器的电噪声主要是由于载流子的涨落引起的，引起载流子的涨落因素很多，如注入电流的涨落，载流子的复合和产生速率的涨落，光子发射和吸收速率的涨落，以及光增益涨落。通过对激光的电噪声测量，可以监测激光器的诸多参数和性能。作为应用而言，要求激光二极管应具有最低的电噪声和最高的稳定性，因为驱动电流的大小不仅会造成激光二极管的噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。
本系统中LD光功率采样模拟信号、电流采样信号及温度传感信号经放大后由A／D转换为数字信号，PIC32单片机接受此信号进行运算处理，反馈控制信号经D／A
转换后再分别送往激光器电流源电路，形成光功率的闭环控制。一旦有一个或多个激光二极管损坏，通过噪声巡检的方法及时发现并报警，同时通过PIC单片机自动启用备用激光二极管模块。保证系统的正常工作。
因为该系统需要控制多个数模转换器D／A及模数转换器A／D协调工作，如果由单片机直接控制，必然占用其过多的资源，因为单片机还需要控制显示、键盘和各种接口的工作，进而加重其工作负担。采用外部扩展A／D、D／A很好地解决了这个问题。
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