功率自适应LD开关电源设计.doc

1、兰州交通大学毕业设计（论文）摘 要随着科学技术的飞速发展，半导体激光器技术已深入到国民经济和国防建设的各个领域。在远距离通讯，激光雷达，数字信号的存储和恢复，激光测距，机器人，全息应用，医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对工作条件要求非常苛刻。在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。所以，使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要。该设计研究了一种稳压型宽范围的开关半导体激光器(LD)的驱动电源，利用单片机进行自动调节开关电源的绝缘门极晶闸管(IGBT)的占空比，从而使电源输出稳定的电压来实现LD的恒流驱动。该电源还能够

2、根据不同规格LD在一定的范围内进行功率自适应调节。以单片机为主控制器，结合外围电路，采用PID算法实现了LD的功率自适应调节和恒流驱动。即它是一种基于开关电源的并且有功率自适应功能的LD驱动电源。该设计采用了单片机作为主控制器，其接收的数据经A/D转换后，再与设定参数进行比较，然后把得到的处理结果送至D/A转换器，最后送入被控对象。硬件电路设计运用了模块设计的方法，主要包括了V/I转换模块、恒流源模块、D/A转换模块、以及采样模块。关键词：开关电源；半导体激光器；功率自适应；PID算法AbstractWith the rapid development of science and techn

3、ology, the semiconductor laser technology has penetrated into all fields of national economy and national defense construction. In telecommunications, laser radar, digital signal storage and recovery, laser ranging, robot, holographic applications, medical Diagnosis and other aspects has a wide rang

4、e of applications. However, the semiconductor laser is a high power density and high quantum efficiency devices, is very demanding for working conditions. Improper work or storage conditions will result in a sharp deterioration in the performance of even failure. So, so the normal work of the laser

5、drive power supply is very important.This Design research a design of wide range pressure switches semiconductor laser driving (LD) power supply, the use of single-chip microcomputer for automatic regulating switch power insulated gate bipolar transistor (IGBT) duty cycle, so that the power supply o

6、utput a stable voltage to achieve LD constant current drive. The power supply also can accord to different specifications of LD in a certain range of adaptive power regulator. Taking SCM as the control core, combined with the external circuit, using PID algorithm LD power adaptive control and the co

7、nstant current driving. It is based on a switching power supply and power adaptive function of LD driving power supply.This design uses a single chip control, the received data after A/D conversion, with the set parameters were compared, and the results are sent to the D/A converter, and finally int

8、o the controlled object. Hardware circuit design used modular design method, including V/I conversion module, a constant current source module, the D/A conversion module, as well as the sampling module.Key Words: Switching power supply, Semiconductor laser, Power adaptive, PID algorithm目 录摘 要IAbstra

9、ctII目 录III1 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 课题的研究现状21.3 课题的研究内容和目标22 开关型LD驱动电源的设计原理及总体方案42.1 LD开关电源的基本原理42.2 系统结构原理52.3 自适应功能软件设计52.4 软件控制算法设计63 系统硬件电路的设计与实现73.1 单片机及最小系统73.1.1 单片机的选择73.1.2 单片机最小系统73.2 信号采样电路83.2.1 信号放大电路83.2.2 温度传感器93.2.3 电流采集电路103.2.4 AD转换电路103.3 过流报警电路123.4 光功率控制电路133.5 LD过流保护电路143.6 Protel

10、DXP设计软件介绍143.7 硬件PCB设计154 系统软件的设计与实现184.1 软件开发平台介绍184.2 系统程序设计194.2.1 系统总体框图194.2.2 ADC0809电流采样程序设计194.2.3 DS18B20温度采集程序设计194.2.4 声光报警及过流保护系统204.2.5 PID控制算法设计21结 论22致 谢23参考文献24附录 系统程序25- 29 -1 绪论1.1 课题的背景和意义半导体激光器驱动电源具有结构简单、不需要高压、便于调试等独特的优点，其应用潜力很大。但是，过去由于半导体激光器的模式不好、波长长、寿命短，因而它的应用范围被大大地限制了。随着半导体光电子

11、器件的研究开发，目前已经成功研制出了可以实现单模输出、寿命长达十几万小时、工作于可见波波段的性能更优越的半导体激光器，并在美国、德国以及日本等国家开始大规模商业化生产。具有如此优越性能的半导体激光器在很大程度上弥补了过去的缺陷，迅速扩展了其应用领域，在许多方面正在逐步取代He-Ne激光器。半导体激光器已经广泛地应用于光纤通讯、集成光学、激光扫描、激光印刷、光盘存储技术等领域。可见在今后相当长的一段时间内，半导体激光器的需求量将大幅度地增加。因此，提高半导体激光器的性能已经成为目前国内外研究的热点，大量的人力和物力已经投入到这方面的研究中。目前，提高半导体激光器性能的途径主要有两个：一是应用最新

12、的半导体技术来提高激光器器件本身的性能指标，例如选用新的半导体材料作为半导体激光器的有源物质；二是提高半导体激光器驱动源的特性，使半导体激光器工作在最理想的状态。因此，半导体激光器驱动源的研究与设计是激光应用领域的一项关键技术。现在各个行业对激光器的功率要求日益增加，这就对半导体激光器功率的要求越来越高。大功率半导体激光器应用形式有固体激光泵浦光源和直接作为系统光源两种。半导体激光器体积小、重量轻、效率高，但这种光的光束质量较差，横模特性也不理想，只能在对光束质量要求不高的环境下直接应用。固体激光器输出的光束质量虽然高，但传统的泵浦源闪光灯又有体积大、寿命短、效率低的缺点。结合二者的优点，产生

13、了半导体激光器泵浦固体激光器技术。目前大功率的半导体激光器最大的应用领域就是半导体激光器泵浦固体激光器。按泵浦方式不同，可以分为电子束泵浦激光器、注入式激光器和光泵激光器。其中，注入式激光器容易受激辐射，并且因其结构简单紧凑，通过改变注入电流便能直接调制输出，且加工工艺成熟，所以它是使用最广泛的一种半导体激光器1。对全固态激光器来说，激光二极管驱动电源是一个核心组件，对于星载应用来说，提高效率和可靠性成为最主要的因素，提高激光驱动电源效率，可以有效提高整机效率，降低对卫星平台的资源需求以及热控要求，因此发展新型高效脉冲激光二极管驱动电源成为一个技术瓶颈，急需解决。由于传统驱动电源的自身特征，其

14、输出效率受到一定限制，探索新的技术路线，既能满足激光二极管驱动的可靠性，又具有高的驱动效率，具有重要的学术意义。传统的半导体激光器驱动电源的过流保护功能比较单一，由于过流保护设计的不完善，导致激光器在使用过程中出现过流误判断或被损坏的情况时有发生，甚至造成工作延误和不必要的经济损失。对于中小功率半导体激光器，其驱动电流最大限定值通常设定在典型值的1.031.4倍之间。尽管张书云等人所设计的驱动电源能实现自适应过流保护功能，但把过流保护值取为设定电流值的1.02倍，对于典型值和最大限定值差别较大的半导体激光器，会被过早地判为寿命终结，因而不能最大限度的使用。1.2 课题的研究现状随着半导体激光器

15、的飞速发展，作为激光器重要组成部分的激光器驱动源也得到了快速的发展，新驱动技术不断涌现，性能不断完善，对半导体激光器技术的发展和应用起到了推动作用。在国外，对半导体激光器驱动源的研究已经取得了不错的成果，特别是德国、英国、日本等国家，半导体激光器驱动源的研究技术已经非常成熟，达到了很高的水平。据相关报道，他们目前已能获得输出电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒级，甚至达到皮秒级的半导体激光器驱动源，但现在还处于实验研究阶段，没有商品化。一些半导体器件公司研制的大功率半导体激光器驱动源已经可以达到很高的指标，并且实现了商品化，但其价格比较昂贵。在国内，虽然对半导体激光器驱动源的研究也不少

16、，但大多用于光纤通信方面，只能达到几毫安到几十毫安的驱动电流。虽然也有一些文献资料报道，用雪崩管、闸流管或MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金属氧化物半导体型场效应管)构成的大电流窄脉冲半导体激光器驱动源的驱动电流可以达到十几安培，脉宽可以达到几十纳秒，但其重复频率却往往非常低，一般都只有几千赫兹甚至几赫兹。目前，国内绝大多数的研究报道表明，要同时产生脉冲幅度、边沿速度、重复频率等技术指标要求都较高的脉冲非常困难。国外生产的高重频大功率窄脉冲半导体激光器驱动源之所以非常昂贵，主要原因在于国内在这方面发展的不是很好，

17、在这方面的产品可谓是凤毛麟角，特别是脉宽小于10ns，驱动电流十安培以上，重复频率上百千赫兹的半导体激光器驱动源，目前还没有商品化的产品2。1.3 课题的研究内容和目标半导体激光器自问世以来，以其超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及高速工作等优点，获得越来越广泛的应用。然而，对于所有的激光二极管，其驱动电源的工作方式和性能都是共同的问题。如果输出的电压或电流波形质量不高，又缺乏有效的保护措施，就会使激光二极管性能下降或造成永久性损伤。根据LD(Laser Driving,半导体激光器)的工作原理及输出特性，结合现有驱动技术和它的失效机理，采用了全新的方法理念，从各个方面对LD的工作状态进行监

18、测并分析，设计出了一种稳压范围宽的开关型LD驱动电源，该驱动电源不仅能为LD提供高精度、高稳定性的电流，而且保证了激光器输出激光功率的稳定性，该电源还有根据不同规格的LD在一定设定范围内进行功率自适应调节的功能，为LD提供了更智能的电源驱动。本文研究内容主要有以下几个方面：(1) 介绍了LD的背景和国内外研究现状。(2) 介绍了LD驱动电源的设计原理和总体方案。(3) 介绍了LD驱动电源的硬件电路设计，以AT89C51单片机作为主控制器，完成各个模块的硬件设计，具体包括：信号采集电路、信号放大电路、温度采集电路、A/D和D/A转换电路、光功率控制电路和过流保护电路等。(4) 在硬件电路的基础上

19、开展控制系统软件的设计，采用了PID经典控制算法实现电流温度闭环控制。(5) 总结在整个控制系统的研究中所取得的成果，同时也指出了该设计研究的不足之处与需要进一步研究和改进的方面。2 开关型LD驱动电源的设计原理及总体方案2.1 LD开关电源的基本原理开关电源系统一般是由主电路和控制电路两部分组成。输入电源、储能电感、滤波电容、整流管和开关管等构成系统的主电路；控制电路中通过控制功率开关管的通断使输出电压恒定3，一般当输入电压及负载的变化在一定范围内时，负载电压能够维持恒定。开关电源的调节和稳压是通过调节变换电路的功率开关管的占空比来实现的。本设计主要是采用PWM(Pulse Width Mo

20、dulation,脉冲宽度调制)对开关电源进行控制的，即保持开关的频率不变，以改变导通时间的方式来改变占空比，进而达到改变其输出电压的目的。本文采用的双IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)组成的半桥式功率变换电路，它的主电路拓扑如图2.1所示，其中BG1和BG2(IGBT)通过单片机调整PWM方波的占空比控制它们的导通时间。图2.1 功率变换主电路在驱动电压轮流开关的作用下，功率变换器的两个功率管IGBT交替地导通和截止，它们在变压器的原边线圈产生了高压开关脉冲，从而在副边感应出了交变方波脉冲，再经过全桥整流电路及滤波器消除其电路中

21、的高频成分和电流冲击，以减小电路纹波系数进而得到所需的恒定直流电压。变压器的初级在整个周期内都会有电流通过，所以磁芯得到了充分的利用。半桥式电源的一个突出优点就是它有抗拒不平衡负载的能力，且经耦合电容的自动修正可避免磁饱和。该电路适用于本文设计的可变频率的应用场合。2.2 系统结构原理本设计的LD驱动电源，以单片机作为其控制核心，利用开关电源的技术，且采用闭环反馈系统，通过控制IGBT的占空比实现控制开关电源的作用，进而实现电源的恒压控制、电流源驱动和光功率控制等功能，其系统结构如图2.2所示。图2.2 系统原理框图市电先经输入电路中的防电磁干扰的电源滤波器滤除电源的高次谐波并且由桥式整流电路

22、整流，再经功率变换电路变换、高频桥式整流以及LC滤波从而得到恒定的直流电压，最后由V/I转换电路实现其对电流的控制4。光功率和电流的采样电路将采集到的LD的输出电流和光功率信号经过放大器对其进行信号放大后再进过A/D转换送入单片机进行处理，调整PWM占空比，进而控制IGBT的导通时间来控制功率变换电路，最终实现LD输出光功率的闭环控制。数字温度传感器DS18B20采样得到的LD的温度信号，将直接以数字信号的形式送入单片机进行处理，再将得到的温控量经D/A转换后送入温控电路，最终实现了LD的温度闭环控制5。2.3 自适应功能软件设计LD驱动电源的工作运行相对比较复杂，对于各种瞬变的干扰通过适当的

23、硬件电路就能抑制，但其动作时序的控制，尤其是对电流的控制和因温度变化造成的输出光功率变化的控制，若采用软件方法就能更加可靠、灵活和有效的实现。该设计电源是一个根据不同规格LD进行自动调整其输出光功率的开关电源。打开开关电源，首先对其运行程序进行初始化设置，然后进入调整子程序，最后进入电源的正常工作主程序，主要是以PWM法对开关电源进行调节。程序中的过流保护模块采用自适应过流保护的流程，针对不同规的LD工作状态，实时地自动调整其过流保护值，确定处于过流状态时就关闭输出，并且发出过流告警信号，从而达到了过流保护的目的。光功率的信号经过采样放大后分别送到电源的控制电路，形成了光功率的闭环控制。其控制

24、电路由电流电压采样电路、光功率采样电路以及过流保护等电路组成。首先需要检测电流电压的采样值，若LD工作在正常的范围内，则结合光功率控制并且做出对应调整；若超出正常的范围，则直接进行调整，同时检测输出光功率值，再将它转换成电流值送入单片机，经单片机计算，输出控制信号对驱动电路进行控制并且调节开关管占空比，以保证LD工作在恒输出功率的状态。2.4 软件控制算法设计开关电源的系统通过对输出电压转换过来的电流作采样反馈，从而形成闭环控制。在LD的电流控制过程中，主要采用适合的PID控制算法。PID控制增量式的表达式如式2.1所示： (2.1)其中，k为采样序号；u(k)和e(k)分别为第k次的采样输出

25、控制量以及采样值与设定值的偏差量；KP、K I和KD分别为比例系数、积分系数和微分系数。积分环节的主要目的为消除静差，提高系统控制精度。但在过程的启动、停止或大幅增减设定时，短时间内的系统输出会有很大偏差，会造成PID运算积分积累，进而会引起系统的较大超调，因电流过大而损坏激光器；若取消积分只进行PD控制，则会使控制出现了余差。该设计采用了积分分离式PID控制算法，放大后的信号送入PID控制网络，当被控量与设定值的偏差比较大时，则取消积分的作用，以免降低系统的稳定性；当被控量接近给定值时，则引入积分式控制，以消除静差，提高了控制精度。对开关电源的输出电压转换来的某一范围内电流，其频率为常值，可

26、采用恒频PWM进行调节。PWM脉冲宽度的高电平时间TON采用此算法控制，以调节变换电路的功率开关管占空比的方式来实现开关电源的稳压输出，进而实现恒流控制的目的。另外，半导体激光器的温控软件设计亦可采用此算法，能大大提高温控精度。3 系统硬件电路的设计与实现3.1 单片机及最小系统3.1.1 单片机的选择该设计采用MCS-51系列中的AT89C51单片机，AT89C51单片机是高性能单片机，其芯片中共有256个字节的RAM单元和4KB的掩膜ROM。其中RAM单元用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，它的后128单元被特殊功能寄存器占用，能作为寄存器供用户使用

27、的只有前128个。AT89C51共有两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数或定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；AT89C51有5个中断源的中断控制系统，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个；AT89C51芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接，时钟电路为单片机产生时钟脉冲，系统允许的最高晶振频率为12MHz。3.1.2 单片机最小系统基于主控制器AT89C51的最小系统硬件电路包括电源电路、时钟电路和复位电路。(1) 电源电路单片机电源供给非常重要，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机容易受到干扰而出现程序混乱现象

28、，克服这种现象的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。电源供给电路如图3.1所示，采用LM2940稳压芯片得到单片机工作所需的5V电压，电容C3和C4的作用是减小电源电压波动，提高系统的可靠性。图3.1 LM2940电压转换电路(2) 时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地工作。AT89C51单片机常选择振荡频率为6MHz或12MHz的石英晶体。该设计中使用振荡频率为11.0592MHz的石英晶体6。AT89C51时钟电路如图3.2所示。图3.2 AT89C51时钟电路(3) 复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给单片机RES

29、ET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动，单片机复位电路如图3.3所示。图3.3 AT89C51按键电平复位电路3.2 信号采样电路信号采样电路的作用就是采样需要处理的模拟信号，并将经过AD0809转换后的数字信号送入单片机。单片机控制外围设备的准确度主要取决于信号采样的精度，所以信号采样电路的设计至关重要。3.2.1 信号放大电路该采样电路的模拟信号放大器件采用的是高精度、超低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器OP07，该采样电路如图3.4所示，信号从U4的同相

30、输入端输入，经过U4和U5两级放大，最后经过电压跟随器U6输出至AD转换芯片，通过调节滑动变阻器RP1和RP2可以调节放大倍数的大小，最终的放大倍数等于U4和U5放大倍数的乘积。图3.4 信号放大电路3.2.2 温度传感器温度对LD特性的影响为：温度增加，阈值电流也会随之呈指数形式增加，而输出功率和斜率则分别呈抛物线以及指数的关系递减。本设计采用DS18B20数字温度传感器，DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农

31、业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20测温时得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20的主要特性有：适应电压范围更宽，范围在3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能

32、，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；测温范围-55+125，在-10+85时精度为0.5；可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，

33、但不能正常工作。DS18B20引脚定义：DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VCC为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地），如图3.5所示。图3.5 DS18B20数字温度传感器接口电路3.2.3 电流采集电路恒流驱动电路如图3.6所示。它的工作原理是：当三极管Q3集电极的电流升高，则流经电阻R16的电流也会随着升高，即V2的值会升高，因V2经负反馈接到运放IC1反相输入端，导致运放IC1的差模输入电压会随着减小，因此它的输出电压也会随着降低，进一步使Q3的输出电流减小，从而达到了稳定电流的目的7。因该驱动电路是由两级恒流源电路组成的，这就大大提高了驱动电流的稳定可靠性。驱动电

34、流Iout就只与电阻R19有关。只要选择合适的R19，经简单线性运算就可得到输出电流和控制信号间的关系。因本设计采用的电阻R19具有较好稳定性能。所以驱动电流Iout受环境的影响变化较小，即有较高稳定系数。复合三极管Q4能有效避免用MOSFET管时因外界的静电感应的电压过高而被击穿。3.2.4 AD转换电路A/D转换（模/数转换）就是将模拟量转换成与其模拟值成正比的数字量。在这次设计中选用目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片ADC0809。它是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次

35、逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809工作时首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图3.6 半导体激光器恒流驱动电路ADC0809芯片

36、8有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.7所示，下面是对各引脚功能的说明：(1) IN0IN7：8路模拟量输入端。(2) OUT1OUT8：8位数字量输出端。(3) ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。(4) ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。(5) START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（宽度至少100ns）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。(6) EOC：A/D转换结束信号输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。(7) OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当A/D

37、转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。(8) CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640kHz。(9) VREF(+)、VREF(-)：基准电压。(10) Vcc：电源，单一+5V。(11) GND：地。图3.7 ADC0809与单片机接口电路3.3 过流报警电路该设计中报警电路主要由高亮度发光二极管和蜂鸣器组成，当电路处于过流状态时，进行声光报警，提示操作人员及时进行维护和管理，以免损坏激光器。当半导体激光器正常工作时，单片机的报警控制端口为低电平，报警电路不工作；当检测到半导体激光器处于过流状态时，单片机的相应控制端口输出一个200ms的方波驱动发光二级管和

38、蜂鸣器断续响应，此时三极管Q1导通，蜂鸣器LS响起，同时报警指示灯D1不断闪烁，提示操作人员及时维护管理。这部分电路如图3.8所示，电阻R1起限流作用，防止输入电流过大烧坏发光二级管。图3.8 过流报警电路3.4 光功率控制电路激光器发光功率控制模块用来直接探测激光器发光功率大小，然后反馈功率，并产生保护作用。LD是靠载流子直接注入来工作的，驱动电流的稳定性将接影响LD的输出。为防中心波长漂移，要求注入电流有高稳定度和小纹波系数并且精确可调。采用负反馈技术可以稳定注入电流，本系统采用集成运放和采样电阻，其中采样电阻与LD串联，采样电阻的选取将影响驱动电流的稳定性，所以选取0.2的高精度电阻。系

39、统由CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)控制8位精度D/A转换芯片DAC0832发出模拟电压，驱动U-I转换电路9，光功率控制电路如图3.9所示。图3.9 光功率控制图3.5 LD过流保护电路使用LD造成损坏的原因主要是驱动电流过大以及浪涌击穿。针对各种可能会产生浪涌或过流的情况，采取了多重的保护措施，如图3.10所示，利用单片机实时监测采样电阻电压，超额定值时由CPU从Input端口输入控制信号，关闭U-I电路，自动锁定LD并报警，防止LD过流。在LD两端并联10000微法电解电容C10，构成硬件慢启动电路，防止软件慢启动失控而产生的浪涌。将1K电阻R20与

40、LD并联构成电容放电保护。确保在更换激光器时电容存储的电荷全部释放。将零电阻开关SW与LD并联构成短路保护开关。为得到稳定的光功率输出，大多数LD驱动电源通过实时检测输出光功率的大小，采用负反馈闭合回路的方式来不断调整驱动电流的大小。但随着LD的不断老化而导致输出光功率下降时，如果继续采用加大输入电流的方式来稳定光功率输出，容易对LD造成永久性的损坏，甚至有可能会烧毁驱动电源，因此必须采取可靠的过流保护措施。图3.10 过流保护电路3.6 Protel DXP设计软件介绍Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直

41、到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。Protel DXP 2004已不是单纯的PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是原理图设计、原理图仿真、PCB设计、Auto Router（自动布线器）和FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器

42、平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。与较早的版本Protel 99 SE相比，Protel DXP 2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,超高速集成电路硬件描述语言)和FPGA设计系统，其功能大大加强了。软件环境如图3.11所示。图3.11 P

43、rotel软件界面3.7 硬件PCB设计PCB中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。目前，全球PCB产业产值占电子元件产业总产值的四分之一以上，是各个电子元件细分产业中比重最大的产业，产业规模达400亿美元。同时，由于其在电子基础产业中的独特地位，已经成为当代电子元件业中最活跃的产业，2003和2004年，全球PCB产值分别是344亿美元和401亿美元。我国的PCB研制工作始于1956年，1963-1978年，逐步扩大形成PCB产业。改革开放后20多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板均获得快速

44、发展，国内PCB产业由小到大逐步发展起来。中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相对较低，成为发展势头最为强劲的区域。2002年，成为第三大PCB产出国。2003年，PCB产值和进出口额均超过60亿美元，首度超越美国，成为世界第二大PCB产出国，产值的比例也由2000年的8.54%提升到15.30%，提升了近1倍。2006年中国已经取代日本，成为全球产值最大的PCB生产基地和技术发展最活跃的国家。我国PCB产业近年来保持着20%左右的高速增长，远远高于全球PCB行业的增长速度。由于手工焊接的电路板在布线和布局各方面存在很大的缺陷，电路的抗干扰能力以及稳定性相对较差。为了提高系统的稳定性和可靠性

45、，通过Protel软件设计硬件PCB板，在设计过程中对布线规则进行修改，使得电源线和接地线宽度相对较宽，同时将电源线的优先级设置为最高，这样可以有效提高电源系统的稳定性，减小电路之间的相互干扰。PCB布线是制作电路很关键的一个环节，当原理图确保无误而各个元器件布局布线不当时，PCB上形成的干扰信号可能串入电路，从而导致电路工作不稳定，甚至可能无法正常工作。在设计PCB布线时，需要注意如下基本事项：(1) PCB上的接地连接如要考虑走线时，设计应尽量加宽电源，尤其是大电流流经回路。地线、电源线、信号线之间的宽度关系是：地线大于电源线大于信号线。(2) 应避免地环路，在PCB上不能形成地环路。(3

46、) 应避免大电流和小电流在电路上互串。印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局、内部电子元器件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。系统布局完成以后进行PCB布板，要对PCB图进行审查，看系统的布局是否合理，是否能够达到最优的效果，通常可以从以下若干方面进行考察：(1) 系统布局是否保证布线的合理或者最优，是否能保证布线的可靠进行，是否能保证电路工作的可靠性。在布局的时候需要对信号的走向以及电源和地线网络有整体的了解和规划。(2) 印制板尺寸是否与加工图纸尺寸相符，能否符合PCB制造工艺要

47、求、有无行为标记。这一点需要特别注意，不少PCB板的电路布局和布线都要设计得很漂亮、合理，但是疏忽了定位接插件的精确定位，导致设计的电路无法和其他电路对接。(3) 元件在二维、三维空间上有无冲突。注意器件的实际尺寸，特别是器件的高度。在焊接免布局的元器件时，高度一般不能超过3mm。(4) 元件布局是否疏密有序、排列整齐，是否全部布完。在元器件布局的时候，不仅要考虑信号的走向和信号的类型、需要注意或者保护的地方，同时也要考虑器件布局的整体密度，做到疏密均匀。(5) 需经常更换的元件能否方便地更换，插件板插入设备是否方便。应保证经常更换的元器件的更换和接插的方便和可靠。这次设计的PCB板图包括控制

48、器最小系统电路、信号采样电路、过流报警电路、光功率控制电路、过流保护电路，如图3.12所示。图3.12 硬件PCB板图4 系统软件的设计与实现4.1 软件开发平台介绍Keil uVision4是美国Keil Software公司的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用，而且大大的提高了工作效率和项目开发周期，还能嵌入汇编，可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效，快速的特点。C51编译器的功能不断增强，可以更加贴近CPU本身及其它的衍生产品。Keil软件有下面两个优点：(1) Keil