【導(dǎo)讀】本次設(shè)計(jì)是基于網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的全新的大功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，針對(duì)激光二極管的相關(guān)性及工作特點(diǎn)，設(shè)置出傳感器并采集統(tǒng)一信號(hào)送至控制板，保證整個(gè)激光系統(tǒng)的正常工作。
1.系統(tǒng)整體架構(gòu)：
本系統(tǒng)以Cerebot32M*4開(kāi)發(fā)板作為主控核心，通過(guò)外部擴(kuò)展的Pmod網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)與遠(yuǎn)程控制功能。針對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的工作特點(diǎn)，設(shè)置了數(shù)字式的電流，電壓采樣傳感器，功率采樣傳感器，單總線溫度傳感器。控制部分包括了軟啟動(dòng)電路，TEC制冷溫控模塊以及激光二極管控制電路。上述傳感器將采集信號(hào)傳送給PIC32控制器，由其將信號(hào)處理后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，并將工作狀態(tài)參量上傳網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)原理框圖如圖一。
圖1：系統(tǒng)整體原理
2.1 激光二極管電流噪聲傳感模塊
傳統(tǒng)的激光二極管陣列裝置的驅(qū)動(dòng)電路，可以精確控制電流，但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，維護(hù)不便，且又僅靠模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法與外部處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不能很好地監(jiān)控激光管的工作狀況。該裝置采用PIC32單片機(jī)和和擴(kuò)展傳感器結(jié)合，當(dāng)半導(dǎo)體激光器串聯(lián)群中有一個(gè)或多個(gè)損壞，可以采用測(cè)量噪聲的方式來(lái)檢驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)報(bào)警，從而確保整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性、可靠性。
2.1.1電流噪聲巡檢原理
隨著半導(dǎo)體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其自身的噪聲性能也越來(lái)越受到人們的重視。對(duì)半導(dǎo)體激光器的噪聲特性進(jìn)行研究，不僅可以研究器件產(chǎn)生噪聲的機(jī)理，制備低噪聲器件，而且也可以依據(jù)器件的噪聲大小對(duì)器件進(jìn)行可靠性評(píng)估。激光器的電噪聲主要是由于載流子的漲落引起的，引起載流子的漲落因素很多，如注入電流的漲落，載流子的復(fù)合和產(chǎn)生速率的漲落，光子發(fā)射和吸收速率的漲落，以及光增益漲落。通過(guò)對(duì)激光的電噪聲測(cè)量，可以監(jiān)測(cè)激光器的諸多參數(shù)和性能。作為應(yīng)用而言，要求激光二極管應(yīng)具有最低的電噪聲和最高的穩(wěn)定性，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流的大小不僅會(huì)造成激光二極管的噪聲，還會(huì)造成輸出波長(zhǎng)光譜線寬的展寬。
本系統(tǒng)中LD光功率采樣模擬信號(hào)、電流采樣信號(hào)及溫度傳感信號(hào)經(jīng)放大后由A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PIC32單片機(jī)接受此信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，反饋控制信號(hào)經(jīng)D／A
轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路，形成光功率的閉環(huán)控制。一旦有一個(gè)或多個(gè)激光二極管損壞，通過(guò)噪聲巡檢的方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，同時(shí)通過(guò)PIC單片機(jī)自動(dòng)啟用備用激光二極管模塊。保證系統(tǒng)的正常工作。
因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要控制多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D／A及模數(shù)轉(zhuǎn)換器A／D協(xié)調(diào)工作，如果由單片機(jī)直接控制，必然占用其過(guò)多的資源，因?yàn)閱纹瑱C(jī)還需要控制顯示、鍵盤(pán)和各種接口的工作，進(jìn)而加重其工作負(fù)擔(dān)。采用外部擴(kuò)展A／D、D／A很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。
2.1.2軟件流程圖
圖2：軟件流程圖
2.2 基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊
TCP/IP通信協(xié)議以其高效、可靠、通用性獲得了世界范圍的廣泛使用。
本項(xiàng)目采用PIC系列PIC32單片機(jī)，在其中通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過(guò)進(jìn)一步的擴(kuò)展，在其上搭建起HTTP，F(xiàn)TP，TELNET等高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能。
利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)互連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋ＷC數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時(shí)擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?br />
TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來(lái)的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。參考開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層。
（1）應(yīng)用層
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì)話(huà)過(guò)程，如通常所說(shuō)的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機(jī)系統(tǒng)傳遞來(lái)自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層只對(duì)大的數(shù)據(jù)報(bào)作打包拆報(bào)處理。
（2）傳輸層
傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過(guò)明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等，實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。
（3）網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的任一主機(jī)上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)間的互連，應(yīng)提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。
（4）鏈路層
由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實(shí)現(xiàn)這一層協(xié)議的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。這部分功能由單片機(jī)控制網(wǎng)卡芯片實(shí)現(xiàn)。
本項(xiàng)目由四個(gè)模塊構(gòu)成，分別為網(wǎng)絡(luò)接口模塊、單片機(jī)控制模塊、受控開(kāi)關(guān)模塊和電源模塊。下面對(duì)這四部分進(jìn)行具體說(shuō)明。
2.2.1網(wǎng)絡(luò)接口模塊
網(wǎng)絡(luò)接口采用HR911105A網(wǎng)絡(luò)變壓器來(lái)獲取10BASE-T網(wǎng)線中的信號(hào)，采用Microchip公司的enc28j60網(wǎng)絡(luò)控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取和處理。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可選的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器大都是為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。這些器件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且比較昂貴。目前市場(chǎng)上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過(guò)80引腳，而符合IEEE 802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供相應(yīng)的功能，又可以大大簡(jiǎn)化相關(guān)設(shè)計(jì)，減小空間。
ENC28J60以太網(wǎng)控制器的主要功能包括：
符合IEEE 802.3：內(nèi)置10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC），可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)；
可編程過(guò)濾功能：特殊的過(guò)濾器，包括Microchip的可編程模式匹配過(guò)濾器，可自動(dòng)評(píng)價(jià)、接受或拒收Magic Packet™、單播（Unicast）、多播（Multicast）或廣播（Broadcast）信息包，以減輕主控單片機(jī)的處理負(fù)荷；
10Mbps SPI接口：業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口，低至18引腳的8位單片機(jī)也具有網(wǎng)絡(luò)連接功能；
可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器：以高效的方式進(jìn)行信息包的存儲(chǔ)、檢索和修改，以減輕主控單片機(jī)的內(nèi)存負(fù)荷。該緩沖存儲(chǔ)器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機(jī)制。
Enc28j60與單片機(jī)的典型接法如下：
圖3：Enc28j60與單片機(jī)的典型接法
2.2.2單片機(jī)控制模塊PIC32單片機(jī)借助SPI通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)控制芯片enc28j60進(jìn)行通信。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。借助SPI通信協(xié)議，單片機(jī)可以高速地與enc28j60進(jìn)行通信。由于本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實(shí)現(xiàn)HTTP通信。單片機(jī)接收到的待處理數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理函數(shù)，若檢測(cè)到有TCP連接建立的請(qǐng)求，則進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)建立了TCP連接后，就可以通過(guò)TCP連接發(fā)送和接收HTTP通信數(shù)據(jù)。
TCP連接建立的“三次握手”流程和有限狀態(tài)機(jī)如下：
圖4：TCP 建立流程
圖5：TCP的有限狀態(tài)機(jī)
PIC32單片機(jī)在接收到正確的HTTP GET請(qǐng)求后，便進(jìn)行相應(yīng)處理，返回用戶(hù)需要的網(wǎng)頁(yè)，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的web server應(yīng)用。[page]
2.2.3受控開(kāi)關(guān)模塊
受控開(kāi)關(guān)是借助固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)使用單片機(jī)控制大型用電器這一功能的。固態(tài)繼電器的高電壓開(kāi)關(guān)串接在插排導(dǎo)線中，單片機(jī)的IO口通過(guò)三極管放大電路接繼電器的低電壓開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)低電壓控制高電壓開(kāi)關(guān)的功能。
2.3 溫度傳感與控制模塊
溫度是大功率激光二極管性能惡化、壽命縮短的主要因素，溫度升高不僅使輸出功率下降，并且影響波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)設(shè)置了閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，精確地控制了工作溫度，使激光二極管輸出穩(wěn)定的波長(zhǎng)。以PIC32單片機(jī)為控制核心，采用高精度的單總線的數(shù)字溫度計(jì)DS18B20，結(jié)合TEC半導(dǎo)體制冷器，對(duì)半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)采用脈寬調(diào)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器精密溫度的控制
2.3.1 溫度傳感器介紹
DS18B20是美國(guó)DALLAS公司采用單總線技術(shù)生產(chǎn)的一種新型數(shù)字式溫度傳感器．所渭單總線技術(shù)是將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)了一根數(shù)據(jù)線上進(jìn)行艤向數(shù)據(jù)傳輸，最大限度地節(jié)省了通訊線的數(shù)量，使系統(tǒng)功能的完整化、構(gòu)成的簡(jiǎn)單化成為可能．這類(lèi)溫度傳感器的輸入和輸出均為數(shù)字信號(hào)，且以串行方式與外部連接，因此可以很容易地集成到應(yīng)用系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．DSl8820是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過(guò)對(duì)振蕩周期的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的．為了擴(kuò)大測(cè)溫范圍和提高分辨率，它使用了一個(gè)低溫系數(shù)振蕩器和一個(gè)高溫系數(shù)振蕩器來(lái)分別進(jìn)行計(jì)數(shù)，并采用非線性累加器等電路來(lái)改善線性，故此DSl820有良好的特性。
圖6：溫度傳感器軟件流程圖
2.3.2制冷模塊介紹系統(tǒng)中我們采用半導(dǎo)體制冷器作為致冷元件．它是依據(jù)帕爾帖效應(yīng)制作的，具有體積小、重量輕、制冷效率高等特點(diǎn)．特別適用于有限空間的致冷．由于半導(dǎo)體致冷器具有當(dāng)改變組件的工作電流極性時(shí)，它既可致冷又可以致熱；改變通過(guò)組件電流強(qiáng)度便可調(diào)整致冷功率的特點(diǎn)．所以使用它我們能很容易地控制溫控電路的溫控方式(輸入極性正接一制冷；輸入極性反接一制熱)以及制冷／制熱量的大小．在本系統(tǒng)中我們采用兩片半導(dǎo)體致冷器TEC- 12707，一片用于制冷，一片用于制熱．它們的最大工作電壓為15 4 v．最大工作電流為6 A，吸熱量為65w。
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