基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統設計
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3 功能模塊設計
系統絕大部分的控制功能都是在FPGA中實現。文中采用Alter公司生產的Cyclone系列FPGA，選用型號為EP1C3T100。該款芯片共有2 910個邏輯單元、13個M4K的存儲模塊、1個鎖相環和65個可自定義I／O腳。
3．1 聲光調制器(AOM)驅動控制模塊
當上位機打標軟件設定聲光調制器的重復頻率為20～200 kHz時，經過上位機控制板卡數據處理后，產生與設定頻率相同的周期方波信號并加載到該控制系統中。當系統檢測到方波信號的上升沿到來時，將產生與該信號同步的窄脈沖信號，脈沖寬度根據重復輸入頻率的值在0．1～1μs之間變化。
實現原理：(1)利用FPGA精確的定時能力設計一數字頻率計，對上位機輸出的方波信號進行頻率檢測，當檢測出被測信號的頻率后，利用FPGA精確的延遲技術，實現脈沖寬度可調的同步信號。如圖3所示，為測頻法的基本原理。在確定的閘門時間Tw內，記錄被測信號的變化周期數或脈沖個數Nx，則被測信號的頻率為Fx=Nx／Tw，當閘門的時間Tw為1 s時，測被測脈沖個數Nx就為被測信號的頻率。本文引用地址：http://www.104case.com/article/189607.htm
(2)該功能模塊在FPGA內部組成原理如圖4所示。被測信號的頻率輸入范圍為20～200 kHz，基準時鐘為FPGA的時鐘頻率100 MHz。因為基準時鐘的頻率為100 MHz并遠大于被測信號的頻率，所以以被測信號的一個周期作為閘門時間即T1=10 ns，在T1內對100 MHz的基準時鐘進行計數，被測周期的個數為N1，則被測信號的周期Tw=T1·N1。FPGA根據被測信號的頻率，產生與其對應的同步脈沖信號，并加載到聲光調制器的輸入端。
(3)實驗結果如圖5所示，在不同的輸入頻率下示波器顯示的輸出波形。圖5(a)為在輸入重復頻率為200 kHz，輸出同步脈沖寬度為700 ns。圖5(b)為輸入重復頻率為58．8 kHz，輸出同步脈沖寬度為800 ns。從實驗結果可以看出，利用FPGA可以成功地實現隨輸入頻率的不同，而產生不同的同步脈沖信號，實現了設計要求。
3．2 狀態機模塊
在整個控制系統中存在大量的時序關系，為實現對時序高效、可靠的邏輯控制，采用有限狀態機的方怯來實現。有限狀態機有兩種基本類型：米利(Mealy)機和摩爾(Moore)機，米利機的下一狀態和輸出取決于當前狀態和當前輸入；摩爾機的下一狀態取決于當前的狀態和當前的輸入，但其輸出僅取決于當前狀態。這兩類有限狀態機的下一狀態和輸出都是由組合邏輯電路形成，其原理框圖如圖6所示。
FPGA根據狀態機的不同狀態，有序地實現相應的功能控制，例如對激光器電源加電的軟啟動控制、平均輸出光功率的反饋控制、半導體激光器的開啟與關斷時間控制和數據處理與顯示等功能。如圖7中(a)所示為半導體激光器由上電軟啟動過程，首先由0電壓逐漸上升到工作電壓值，最后以脈沖輸出電壓的方式控制半導體激光器的工作狀態。圖7(b)所示為利用狀態機實現的部分時序控制仿真圖。圖中輸入信號pin19 _1為脈沖光纖激光器的出光和不出光控制信號，當pin19_1為高電平時，經過FPGA數據處理后，將產生3路控制信號mo、pa1、pa2，分別用于控制主振蕩級半導體激光器LD1和功率放大級的半導體激光器LD2及LD3開啟與關斷狀態。
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