發布日期：2022-10-09 點擊率：119
【導讀】本次設計是基于網絡而設計的全新的大功率半導體激光器系統，針對激光二極管的相關性及工作特點，設置出傳感器并采集統一信號送至控制板，保證整個激光系統的正常工作。
1.系統整體架構：
本系統以Cerebot32M*4開發板作為主控核心，通過外部擴展的Pmod網絡模塊實現組網與遠程控制功能。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，并將工作狀態參量上傳網絡，實現遠程監控。系統原理框圖如圖一。
圖1：系統整體原理
2.主要模塊介紹
2.1 激光二極管電流噪聲傳感模塊
傳統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，無法與外部處理器進行數據交換，不能很好地監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現，并及時報警，從而確保整個系統工作的連續性、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生噪聲的機理，制備低噪聲器件，而且也可以依據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，載流子的復合和產生速率的漲落，光子發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，可以監測激光器的諸多參數和性能。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放大后由A／D轉換為數字信號，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現并報警，同時通過PIC單片機自動啟用備用激光二極管模塊。保證系統的正常工作。
因為該系統需要控制多個數模轉換器D／A及模數轉換器A／D協調工作，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
圖2：軟件流程圖
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2.2 基于TCP/IP協議的網絡監控模塊
TCP/IP通信協議以其高效、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TCP/IP協議的通信功能，通過進一步的擴展，在其上搭建起HTTP，FTP，TELNET等高級網絡功能。
利用TCP/IP協議中的UDP、IP、ARP及簡單的應用層協議實現單片機的網絡互連，提高數據傳輸的速度，保證數據傳輸的正確性，同時擴展數據傳輸的有效半徑。
TCP/IP協議是一套把因特網上的各種系統互連起來的協議組，保證因特網上數據的準確快速傳輸。參考開放系統互連（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、網絡層、鏈路層。
（1）應用層
網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。我們用單片機系統傳遞來自Ethernet和數據終端的數據，應用層只對大的數據報作打包拆報處理。
（2）傳輸層
傳輸層讓網絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數據，如定義網絡連接的端口號等，實現該層協議的傳輸控制協議TCP和用戶數據協議UDP。
（3）網絡層
網絡層讓信息可以發送到相鄰的TCP/IP網絡上的任一主機上，IP協議就是該層中傳送數據的機制。同時建立網絡間的互連，應提供ARP地址解析協議，實現從IP地址到數據鏈路物理地址的映像。
（4）鏈路層
由控制同一物理網絡上的不同機器間數據傳送的底層協議組成，實現這一層協議的協議并屬于TCP/IP協議組。這部分功能由單片機控制網卡芯片實現。
本項目由四個模塊構成，分別為網絡接口模塊、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網絡接口模塊
網絡接口采用HR911105A網絡變壓器來獲取10base-T網線中的信號，采用Microchip公司的enc28j60網絡控制芯片來實現對網絡數據的獲取和處理。嵌入式系統開發可選的獨立以太網控制器大都是為個人計算機系統設計的，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控制器的封裝均超過80引腳，而符合IEEE 802.3協議的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以太網控制器的主要功能包括：
符合IEEE 802.3：內置10 Mbps以太網物理層器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC），可按業界標準的以太網協議可靠地收發信息包數據；
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存負荷。該緩沖存儲器提供了靈活可靠的數據管理機制。
Enc28j60與單片機的典型接法如下：
圖3：Enc28j60與單片機的典型接法
2.2.2單片機控制模塊
PIC32單片機借助SPI通信協議與網絡控制芯片enc28j60進行通信。SPI總線系統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、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產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/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS。借助SPI通信協議，單片機可以高速地與enc28j60進行通信。由于本項目實現的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實現HTTP通信。單片機接收到的待處理數據會經過數據處理函數，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連接發送和接收HTTP通信數據。
TCP連接建立的“三次握手”流程和有限狀態機如下：
圖4：TCP 建立流程
圖5：TCP的有限狀態機
PIC32單片機在接收到正確的HTTP GET請求后，便進行相應處理，返回用戶需要的網頁，這樣就實現了一個簡單的web server應用。
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2.2.3受控開關模塊
受控開關是借助固態繼電器來實現使用單片機控制大型用電器這一功能的。固態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，并且影響波長的穩定性。本系統設置了閉環溫度控制系統，精確地控制了工作溫度，使激光二極管輸出穩定的波長。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的一種新型數字式溫度傳感器．所渭單總線技術是將地址線、數據線、控制線合為一根信號線，實現了一根數據線上進行艤向數據傳輸，最大限度地節省了通訊線的數量，使系統功能的完整化、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中，簡化系統的設計．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來實現溫度測量的．為了擴大測溫范圍和提高分辨率，它使用了一個低溫系數振蕩器和一個高溫系數振蕩器來分別進行計數，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。
圖6：溫度傳感器軟件流程圖
2.3.2制冷模塊介紹
系統中我們采用半導體制冷器作為致冷元件．它是依據帕爾帖效應制作的，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的特點．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．在本系統中我們采用兩片半導體致冷器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65
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