基于網(wǎng)絡的分布控制式半導體激光器陣列

　　本項目基于Cerebot32M*4板子作為系統(tǒng)的主控制器，設計一種全新架構的大功率半導體激光器系統(tǒng)，針對大功率激光二極管的工作特點，設置相應的傳感器，并將這些傳感器采集的信號統(tǒng)一送至PIC32控制板，有PIC32單片機控制各個激光模塊的工作狀態(tài)。具有創(chuàng)新性的是，利用網(wǎng)絡模塊可將PIC單片機處理的信號在網(wǎng)頁上實時監(jiān)控，并且，當某個激光模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠檢測出故障并自動啟動備用模塊，保證了整個激光器系統(tǒng)的正常工作。廣泛應用與工業(yè)加工，醫(yī)療等行業(yè)。

　　1.系統(tǒng)整體架構：

　　本系統(tǒng)以Digilent公司的Cerebot32M*4開發(fā)板作為主控核心，通過外部擴展的Pmod網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)組網(wǎng)與遠程控制功能。針對大功率半導體激光器的工作特點，設置了數(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?？刂撇糠职塑泦与娐?，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傳送給PIC32控制器，由其將信號處理后輸出相應的控制信號，并將工作狀態(tài)參量上傳網(wǎng)絡，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)原理框圖如圖一。

　　2.主要模塊介紹

　　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動電路，可以精確控制電流，但電路設計復雜，維護不便，且又僅靠模擬技術實現(xiàn)，無法與外部處理器進行數(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單片機和和擴展傳感器結合，當半導體激光器串聯(lián)群中有一個或多個損壞，可以采用測量噪聲的方式來檢驗和發(fā)現(xiàn)，并及時報警，從而確保整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性、可靠性。

　　2.1.1電流噪聲巡檢原理

　　隨著半導體激光器在各個領域的廣泛應用，其自身的噪聲性能也越來越受到人們的重視。對半導體激光器的噪聲特性進行研究，不僅可以研究器件產(chǎn)生噪聲的機理，制備低噪聲器件，而且也可以依據(jù)器件的噪聲大小對器件進行可靠性評估。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。通過對激光的電噪聲測量，可以監(jiān)測激光器的諸多參數(shù)和性能。作為應用而言，要求激光二極管應具有最低的電噪聲和最高的穩(wěn)定性，因為驅動電流的大小不僅會造成激光二極管的噪聲，還會造成輸出波長光譜線寬的展寬。

　　本系統(tǒng)中LD光功率采樣模擬信號、電流采樣信號及溫度傳感信號經(jīng)放大后由A/D轉換為數(shù)字信號，PIC32單片機接受此信號進行運算處理，反饋控制信號經(jīng)D/A

　　轉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。一旦有一個或多個激光二極管損壞，通過噪聲巡檢的方法及時發(fā)現(xiàn)并報警，同時通過PIC單片機自動啟用備用激光二極管模塊。保證系統(tǒng)的正常工作。

　　因為該系統(tǒng)需要控制多個數(shù)模轉換器D/A及模數(shù)轉換器A/D協(xié)調工作，如果由單片機直接控制，必然占用其過多的資源，因為單片機還需要控制顯示、鍵盤和各種接口的工作，進而加重其工作負擔。采用外部擴展A/D、D/A很好地解決了這個問題。

　　2.1.2軟件流程圖

　　2.2 基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡監(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。

　　本項目采用PIC系列PIC32單片機，在其中通過軟件方法實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過進一步的擴展，在其上搭建起HTTP，F(xiàn)TP，TELNET等高級網(wǎng)絡功能。

　　利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡單的應用層協(xié)議實現(xiàn)單片機的網(wǎng)絡互連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋ＷC數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時擴展數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/p>

　　TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準確快速傳輸。參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層。

　　(1)應用層

　　網(wǎng)絡應用層要有一個定義清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應用層只對大的數(shù)據(jù)報作打包拆報處理。

　　(2)傳輸層

　　傳輸層讓網(wǎng)絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡連接的端口號等，實現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。

　　(3)網(wǎng)絡層

　　網(wǎng)絡層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機制。同時建立網(wǎng)絡間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實現(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)絡上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實現(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控制網(wǎng)卡芯片實現(xiàn)。

　　本項目由四個模塊構成，分別為網(wǎng)絡接口模塊、單片機控制模塊、受控開關模塊和電源模塊。下面對這四部分進行具體說明。

　　2.2.1網(wǎng)絡接口模塊

　　網(wǎng)絡接口采用HR911105A網(wǎng)絡變壓器來獲取10BASE-T網(wǎng)線中的信號，采用Microchip公司的enc28j60網(wǎng)絡控制芯片來實現(xiàn)對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲取和處理。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可選的獨立以太網(wǎng)控制器大都是為個人計算機系統(tǒng)設計的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。這些器件不僅結構復雜，體積龐大，且比較昂貴。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過80引腳，而符合IEEE 802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供相應的功能，又可以大大簡化相關設計，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)界標準的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù);

　　可編程過濾功能：特殊的過濾器，包括Microchip的可編程模式匹配過濾器，可自動評價、接受或拒收Magic Packet?、單播(Unicast)、多播(Multicast)或廣播(Broadcast)信息包，以減輕主控單片機的處理負荷;

　　10Mbps SPI接口：業(yè)界標準的串行通訊端口，低至18引腳的8位單片機也具有網(wǎng)絡連接功能;

　　可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器：以高效的方式進行信息包的存儲、檢索和修改，以減輕主控單片機的內(nèi)存負荷。該緩沖存儲器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機制。

　　2.2.2單片機控制模塊

　　PIC32單片機借助SPI通信協(xié)議與網(wǎng)絡控制芯片enc28j60進行通信。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網(wǎng)絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線(SCK)、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。借助SPI通信協(xié)議，單片機可以高速地與enc28j60進行通信。由于本項目實現(xiàn)的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實現(xiàn)HTTP通信。單片機接收到的待處理數(shù)據(jù)會經(jīng)過數(shù)據(jù)處理函數(shù)，若檢測到有TCP連接建立的請求，則進行相應處理。當建立了TCP連接后，就可以通過TCP連接發(fā)送和接收HTTP通信數(shù)據(jù)。

　　PIC32單片機在接收到正確的HTTP GET請求后，便進行相應處理，返回用戶需要的網(wǎng)頁，這樣就實現(xiàn)了一個簡單的web server應用。

　　2.2.3受控開關模塊

　　受控開關是借助固態(tài)繼電器來實現(xiàn)使用單片機控制大型用電器這一功能的。固態(tài)繼電器的高電壓開關串接在插排導線中，單片機的IO口通過三極管放大電路接繼電器的低電壓開關，實現(xiàn)低電壓控制高電壓開關的功能。

　　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，并且影響波長的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)設置了閉環(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。以PIC32單片機為控制核心，采用高精度的單總線的數(shù)字溫度計DS18B20，結合TEC半導體制冷器，對半導體制冷器的驅動采用脈寬調制，來實現(xiàn)對半導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DALLAS公司采用單總線技術生產(chǎn)的一種新型數(shù)字式溫度傳感器.所渭單總線技術是將地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根信號線，實現(xiàn)了一根數(shù)據(jù)線上進行艤向數(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、構成的簡單化成為可能.這類溫度傳感器的輸入和輸出均為數(shù)字信號，且以串行方式與外部連接，因此可以很容易地集成到應用系統(tǒng)中，簡化系統(tǒng)的設計.DSl8820是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關系，通過對振蕩周期的計數(shù)來實現(xiàn)溫度測量的.為了擴大測溫范圍和提高分辨率，它使用了一個低溫系數(shù)振蕩器和一個高溫系數(shù)振蕩器來分別進行計數(shù)，并采用非線性累加器等電路來改善線性，故此DSl820有良好的特性。

　　2.3.2制冷模塊介紹

系統(tǒng)中我們采用半導體制冷器作為致冷元件.它是依據(jù)帕爾帖效應制作的，具有體積小、重量輕、制冷效率高等特點.特別適用于有限空間的致冷.由于半導體致冷器具有當改變組件的工作電流極性時，它既可致冷又可以致熱;改變通過組件電流強度便可調整致冷功率