數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的上位機(jī)控制方法研究

隋欣，高福斌，田小建

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的上位機(jī)控制方法研究

隋欣，高福斌，田小建

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

論文以改進(jìn)大功率半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性和易操作性為目的，對(duì)基于USB接口的串口通信技術(shù)進(jìn)行了研究，并利用面向?qū)ο缶幊痰腗FC編程模塊成功編譯了具有上位機(jī)控制功能的系統(tǒng)軟件。論文的主要內(nèi)容如下：1）從硬件角度分析現(xiàn)有的大功率半導(dǎo)體激光器恒流源的工作原理，剖析其負(fù)反饋電路的工作方式，并制定出上位機(jī)控制的基本方案。2）結(jié)合MFC編程軟件，建立界面友好、功能全面的上位機(jī)控制軟件。3）應(yīng)用上位機(jī)控制軟件，對(duì)不同的工作模式下的恒流源工作時(shí)電流進(jìn)行采樣，并利用Matlab對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的穩(wěn)定性測(cè)試。

半導(dǎo)體激光器；驅(qū)動(dòng)電源；上位機(jī)控制；穩(wěn)定性測(cè)試

半導(dǎo)體激光器以其體積小、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、準(zhǔn)確性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，一直在軍事科技、工業(yè)生產(chǎn)、激光通信等科研領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。近年來，國(guó)內(nèi)外工作人員對(duì)激光電源進(jìn)行了深入的研究。但是，工業(yè)生產(chǎn)的各種產(chǎn)品和研究中，半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器都存在著操作繁瑣和不能與計(jì)算機(jī)良好通信等關(guān)鍵技術(shù)難題。當(dāng)前，各種通信及移動(dòng)終端設(shè)備飛速發(fā)展，若半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器仍不能夠由計(jì)算機(jī)來遠(yuǎn)程控制，勢(shì)必會(huì)成為其發(fā)展道路上的阻力。因此，設(shè)計(jì)一款可以由計(jì)算機(jī)來遠(yuǎn)程控制的半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器變得尤為重要。

為了解決以上問題，即實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器恒流源的上位機(jī)控制問題，本文在原半導(dǎo)體激光器恒流源的基礎(chǔ)上，從硬件角度分析其工作原理，利用MFC（MicrosoftFoundationClasses）編程軟件，完成了界面友好、功能全面的上位機(jī)控制軟件的編寫與設(shè)計(jì)工作，成功地改進(jìn)了半導(dǎo)體激光器恒流源，使其具有了可以由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的功能。

1　恒流源的工作原理及硬件基礎(chǔ)

數(shù)字式半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器主要由兩個(gè)部分組成，一個(gè)部分是以計(jì)算機(jī)和單片機(jī)為主的控制部分，另一個(gè)部分則是由外圍電路組成的功能模塊部分［1］。在設(shè)計(jì)中，半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器整體上是運(yùn)用串口通信原理，將上位機(jī)控制代碼通過RS232接口傳輸?shù)街骺匦酒弦赃_(dá)到控制恒流驅(qū)動(dòng)器的目的［2］。圖1為半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)工作原理框圖［3］。

當(dāng)由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制半導(dǎo)體激光器恒流源時(shí)，從計(jì)算機(jī)輸入一串特定的符合本機(jī)通信協(xié)議的十六進(jìn)制代碼，單片機(jī)接收到此段代碼，主控芯片將根據(jù)通信協(xié)議自動(dòng)校驗(yàn)并識(shí)別此數(shù)據(jù)鏈內(nèi)的有效信息，在校驗(yàn)無誤之后按照通信協(xié)議中指定的信息，將P0口按照指定次序賦予低電平，激活控制某一模塊功能切換的源函數(shù)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的目的。

圖1　半導(dǎo)體激光器恒流源的系統(tǒng)工作原理圖Fig.1Structure diagram of the system

2　上位機(jī)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1通信協(xié)議的編寫

串口通信控制程序的主流程圖如圖2所示［4］。當(dāng)Flag置1，串口中斷關(guān)閉。串口通信的控制程序主要由以下幾個(gè)步驟組成：

1）確定T1工作方式（設(shè)置TMOD）：TMOD=0x20；//定時(shí)器1工作方式2；

2）計(jì)算T1的初值（裝載TH1，TL1）：一般默認(rèn)設(shè)置SM0= 0，SM1=1為工作方式1；

根據(jù)公式（1）（2）設(shè)置TH1；

3）啟動(dòng)TI（TCON寄存器中的TR1位）

TCON：可以通過設(shè)置此寄存器里面的相關(guān)位，讓定時(shí)器開啟或關(guān)閉（TR0、TR1，1：開啟，0：關(guān)閉），由于這里我們使用的是定時(shí)器1，因而是TR1=1；

4）確定串行口控制，SCON寄存器設(shè)置（REN，SM0，SM1）

SCON寄存器工作參數(shù)設(shè)定

?

當(dāng)REN=1，允許串口傳輸數(shù)據(jù)［5］

SM0 SM1方式功能說明

000同步移位寄存器方式（用于擴(kuò)展I/O口）

0 1 1 8位異步收發(fā)，波特率可變（由定時(shí)器控制）（最常用）

1029位異步收發(fā)，波特率為fosc/64或fosc/32

1139位異步收發(fā)，波特率可變（由定時(shí)器控制）

5）設(shè)置中斷EA ES

當(dāng)EA置0時(shí)所有的中斷都不響應(yīng)；當(dāng)ES置0時(shí)只有串口中斷不響應(yīng)。

2.2上位機(jī)可視化界面的編寫與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)直接有效地控制半導(dǎo)體激光器恒流源的功能，本文選用Microsoft Foundation Classes（簡(jiǎn)稱MFC），以C++為基本編程語言來編寫了視圖的可視化界面［6］。此上位機(jī)軟件主要具備兩大功能：一、可以在計(jì)算機(jī)端直接控制恒流源的電流值；二、通過RS232接口的串口通信功能，將包含了電流信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并按照指定路徑輸出為.dat文件。

圖2　通信協(xié)議的主程序流程圖Fig.2Flow chart the software design

設(shè)計(jì)過程如下：

1）首先建立MFC AppWizard任務(wù)，工程命名為High_ Power_Controlling。

2）編輯操作界面并在其中插入串口通信C++模塊Microsoft Communication Control以實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信功能，在此項(xiàng)目中所采用的接口為USB 2.0接口的COM3接口。

3）定義通信模塊的接口編號(hào)（com3），并對(duì)各個(gè)功能按鍵進(jìn)行定義，定義功能鍵時(shí)同樣需要調(diào)用封裝在MFC函數(shù)庫中的C++的類函數(shù)，根據(jù)按鍵的功能不同，所調(diào)用的類函數(shù)也不盡相同。

4）編寫按鍵功能程序代碼，編寫按鍵功能邏輯，通過不同的按鍵邏輯激活不同的十六進(jìn)制代碼，在數(shù)據(jù)鏈校驗(yàn)無誤后單片機(jī)才會(huì)通過控制端口的電平高低來實(shí)現(xiàn)模塊的控制。

5）將按鍵功能代碼以及通信模塊代碼與主程序關(guān)聯(lián)，也就是將帶有按鍵功能的類函數(shù)應(yīng)用于MAIN函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)類函數(shù)的預(yù)編譯。

6）編譯通過，程序無錯(cuò)誤。

經(jīng)此過程編寫得出的上位機(jī)可視化界面如圖3所示。實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過程如圖4所示。

圖3　上位機(jī)可視化界面Fig.3Computer visualization interface

3　性能測(cè)試與分析

原半導(dǎo)體激光器恒流源并不具有與計(jì)算機(jī)通信的功能，現(xiàn)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)完成了半導(dǎo)體激光器的上位機(jī)控制，單片機(jī)可以將負(fù)載上接的取樣數(shù)據(jù)保存成.dat文件，再通過MATLAB的數(shù)據(jù)處理功能來處理包含了電流信號(hào)的.dat文件，實(shí)現(xiàn)了恒流源穩(wěn)定性測(cè)量的功能。

圖4　上位機(jī)控制實(shí)驗(yàn)Fig.4The computer control experiment

3.1短期穩(wěn)定性測(cè)試

選取80 mA的輸出電流，并選用1 Ω/10 W的電阻做負(fù)載，在20℃和28℃的情況下分別觀察輸出電流在一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性情況，得出圖5。從圖上可以看出，在300 s的時(shí)間內(nèi)，輸出電流有約0.1 mA的下降，這個(gè)下降是由負(fù)載發(fā)熱阻值變化引起的。在20℃的情況下，大約200 s左右，電流值發(fā)生變化；但在28℃情況下，系統(tǒng)大約110 s時(shí)發(fā)生電流值的改變。這是由于高溫情況下，負(fù)載發(fā)熱嚴(yán)重，且不能很好散熱所導(dǎo)致的。

圖5　短期穩(wěn)定度測(cè)試（80 mA）Fig.5Short term stability test（80 mA）

3.2長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)試

短期測(cè)試合格僅僅代表了激光恒流源驅(qū)動(dòng)器在上位機(jī)控制之下能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，性能方面的穩(wěn)定性仍需要長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，圖6所示為激光恒流源驅(qū)動(dòng)器的8小時(shí)性能穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果。此穩(wěn)定度測(cè)試試驗(yàn)中，我們選取了80 mA為測(cè)試電流，取恒流源工作時(shí)的16個(gè)樣點(diǎn)，并以這些樣點(diǎn)為依據(jù)，擬合出代表電流變化的平滑曲線。根據(jù)電流值穩(wěn)定度的計(jì)算公式其中I0為電流的平均值，其值為80.001 25 mA，經(jīng)代入計(jì)算可得半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定度為207 ppm。因此可以得出結(jié)論，由上位機(jī)控制的半導(dǎo)體激光器恒流源具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)在操作上簡(jiǎn)化了操作步驟，節(jié)省了人力資源。

圖6　長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)試Fig.6Long term stability test

4　結(jié)束語

論文主要針對(duì)半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器，解決了非程控恒流源無法與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，加強(qiáng)了大功率激光器恒流源的可操作性，真正實(shí)現(xiàn)了過程數(shù)據(jù)可控，并且增加了該恒流源的上位機(jī)控制功能。通過上位機(jī)控制軟件，可以大大優(yōu)化半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試工參考文獻(xiàn)：

作，減少了測(cè)試工作人員的工作量，使得操作更加簡(jiǎn)便可行。設(shè)計(jì)主要通過利用C語言來編寫數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，同時(shí)利用MFC編程軟件設(shè)計(jì)制作了界面友好、功能全面的上位機(jī)控制界面。在設(shè)計(jì)中考慮到半導(dǎo)體激光器對(duì)電流、溫度、功率等條件的嚴(yán)苛要求，實(shí)驗(yàn)過后對(duì)恒流源穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，證明了由計(jì)算機(jī)控制該半導(dǎo)體激光器恒流驅(qū)動(dòng)器前后對(duì)該儀器的性能沒有產(chǎn)生不良影響。

［1］Yu Fusheng.The Design for High-power Diode Laser Driver［J］. Applied Laser，2000，20（6）：257-260.

［2］鐘乃元，高飛.大電流高精度恒流源［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（9）：176-179.

［3］馬良柱，宋志強(qiáng)，劉統(tǒng)玉，等.大功率半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路［J］.信息與電子工程，2010，8（4）：441-443.

［4］Litwhiler Dale H Lovell，Terrance D.USB Data Acquisition Units Provide New Measurement and Control Options for Engineering Technology Students［C］//2005 ASEE Annual Conference&Exposition：TheChangingLandscapeof Engineering and Technology Education in a Global World；Portland，OR；USA，2005.

［5］盧超.單片機(jī)與PC機(jī)的通信設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2007（5）：116-118.

［6］馬忠梅，籍順心，馬凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

Design of PC control on digital semiconductor laser driver

SUI Xin，GAO Fu-bin，TIAN Xiao-jian
（College of Electronic&Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China）

This paper aims to improve the stability and easy operation of digital semiconductor laser driver.The serial communication technology based on USB interface is studied.At the same time，the use of object-oriented programming MFC programming module is successfully compiled with the system software of PC control function.The main contents of this paper are as follows：1）Analyzing the working principle of digital semiconductor laser driver from the perspective of hardware，and analyze its negative feedback circuit working mode，and to develop the basic scheme of PC control.2）Using MFC programming software to establish user-friendly，full-featured PC control software.3）Applying PC control software，sample on different working mode of semiconductor laser driver working current，and analyze the obtained data by using Matlab to achieve the stability study of semiconductor laser driver.

semiconductor laser diode；drive power；PC control；stability test

TN86

A

1674－6236（2015）24-0016-03

2015-03-09稿件編號(hào)：201503116

隋欣（1988—），女，四川成都人，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)接口技術(shù)。