基于DSP的精密半導體激光驅動電源系統

目前，半導體激光(LD)已廣泛應用于通信、信息檢測、醫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

要使激光器輸出穩定波長的激光，則要求流過激光器的電流非常穩定，所以供電電路選擇低噪聲、穩定的恒流源。恒流源電流可以在0A~3A之間連續可調，以適應不同規格的激光器。目前，半導體激光器電源的二次開發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定、準確和可靠性問題。DSP二次開發的原理如圖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。

　　圖2 系統工作流程

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將變為低電平，觸發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。

　　圖3恒流源控制曲線圖

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，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。

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點；在TMS320F2812中實現數字濾波方法簡單，提高了開發效率。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