基于网络的分布控制式半导体激光器阵列

摘要：

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。

2.1.2软件流程图

图表 2软件流程图

2.2 基于TCP/IP协议的网络监控模块

TCP/IP通信协议以其高效、可靠、通用性获得了世界范围的广泛使用。

本项目采用PIC系列PIC32单片机，在其中通过软件方法实现TCP/IP协议的通信功能，通过进一步的扩展，在其上搭建起HTTP，FTP，TELNET等高级网络功能。

利用TCP/IP协议中的UDP、IP、ARP及简单的应用层协议实现单片机的网络互连，提高数据传输的速度，保证数据传输的正确性，同时扩展数据传输的有效半径。

TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。参考开放系统互连（OSI）模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链路层。

（1）应用层

网络应用层要有一个定义清晰的会话过程，如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。我们用单片机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理。

（2）传输层

传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等，实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。

（3）网络层

网络层让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上，IP协议就是该层中传送数据的机制。同时建立网络间的互连，应提供ARP地址解析协议，实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。

（4）链路层

由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议并属于TCP/IP协议组。这部分功能由单片机控制网卡芯片实现。 

图表 3TCP/IP协议层

本项目由四个模块构成，分别为网络接口模块、单片机控制模块、受控开关模块和电源模块。下面对这四部分进行具体说明。

2.2.1网络接口模块

网络接口采用HR911105A网络变压器来获取10BASE-T网线中的信号，采用Microchip公司的enc28j60网络控制芯片来实现对网络数据的获取和处理。嵌入式系统开发可选的独立以太网控制器大都是为个人计算机系统设计的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。这些器件不仅结构复杂，体积庞大，且比较昂贵。目前市场上大部分以太网控制器的封装均超过80引脚，而符合IEEE 802.3协议的ENC28J60只有28引脚，既能提供相应的功能，又可以大大简化相关设计，减小空间。

ENC28J60以太网控制器的主要功能包括：

1. 符合IEEE 802.3：内置10 Mbps以太网物理层器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC），可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据；
2. 可编程过滤功能：特殊的过滤器，包括Microchip的可编程模式匹配过滤器，可自动评价、接受或拒收Magic Packet™、单播（Unicast）、多播（Multicast）或广播（Broadcast）信息包，以减轻主控单片机的处理负荷；
3. 10Mbps SPI接口：业界标准的串行通讯端口，低至18引脚的8位单片机也具有网络连接功能；
4. 可编程8 KB双端口SRAM缓冲器：以高效的方式进行信息包的存储、检索和修改，以减轻主控单片机的内存负荷。该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。

Enc28j60与单片机的典型接法如下：

图表 4 Enc28j60与单片机的典型接法

2.2.2单片机控制模块

PIC32单片机借助SPI通信协议与网络控制芯片enc28j60进行通信。SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。借助SPI通信协议，单片机可以高速地与enc28j60进行通信。由于本项目实现的是TCP/IP通信，而建立起TCP连接最主要的用途是实现HTTP通信。单片机接收到的待处理数据会经过数据处理函数，若检测到有TCP连接建立的请求，则进行相应处理。当建立了TCP连接后，就可以通过TCP连接发送和接收HTTP通信数据。

TCP连接建立的“三次握手”流程和有限状态机如下：

图表 5 TCP 建立流程

图表 6 TCP的有限状态机

PIC32单片机在接收到正确的HTTP GET请求后，便进行相应处理，返回用户需要的网页，这样就实现了一个简单的web server应用。

2.2.3受控开关模块

受控开关是借助固态继电器来实现使用单片机控制大型用电器这一功能的。固态继电器的高电压开关串接在插排导线中，单片机的IO口通过三极管放大电路接继电器的低电压开关，实现低电压控制高电压开关的功能。

2.3 温度传感与控制模块

温度是大功率激光二极管性能恶化、寿命缩短的主要因素，温度升高不仅使输出功率下降，并且影响波长的稳定性。本系统设置了闭环温度控制系统，精确地控制了工作温度，使激光二极管输出稳定的波长。以PIC32单片机为控制核心，采用高精度的单总线的数字温度计DS18B20，结合TEC半导体制冷器，对半导体制冷器的驱动采用脉宽调制，来实现对半导体激光器精密温度的控制

2.3.1 温度传感器介绍

DS18B20是美国DALLAS公司采用单总线技术生产的一种新型数字式温度传感器．所渭单总线技术是将地址线、数据线、控制线合为一根信号线，实现了一根数据线上进行舣向数据传输，最大限度地节省了通讯线的数量，使系统功能的完整化、构成的简单化成为可能．这类温度传感器的输入和输出均为数字信号，且以串行方式与外部连接，因此可以很容易地集成到应用系统中，简化系统的设计．DSl8820是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现温度测量的．为了扩大测温范围和提高分辨率，它使用了一个低温系数振荡器和一个高温系数振荡器来分别进行计数，并采用非线性累加器等电路来改善线性，故此DSl820有良好的特性。

图表 7温度传感器软件流程图

2.3.2制冷模块介绍

系统中我们采用半导体制冷器作为致冷元件．它是依据帕尔帖效应制作的，具有体积小、重量轻、制冷效率高等特点．特别适用于有限空间的致冷．由于半导体致冷器具有当改变组件的工作电流极性时，它既可致冷又可以致热；改变通过组件电流强度便可调整致冷功率的特点．所以使用它我们能很容易地控制温控电路的温控方式(输入极性正接一制冷；输入极性反接一制热)以及制冷／制热量的大小．在本系统中我们采用两片半导体致冷器TEC- 12707，一片用于制冷，一片用于制热．它们的最大工作电压为15 4 v．最大工作电流为6 A，吸热量为65w。