1基于串行總線下智能固體脈沖激光電源控制系統(tǒng)研究摘要激光由于具有單色性、相干性、方向性好以及能量密度高等特點，已經廣泛地應用于國防、醫(yī)療和機械加工等各個領域。研究穩(wěn)定性好、可靠性和智能化水平高的激光控制系統(tǒng)顯得尤為重要，并且具有廣闊的應用前景。論文詳細介紹了固體脈沖激光電源系統(tǒng)的特點、組成，對固體脈沖激光電源的充電回路和調Q電路工作原理進行了深入分析，重點介紹了充電電路中PWM移相控制全橋變換器的基本工作原理及控制方式。課題選用單片機，采用模塊化設計方案，設計了固體脈沖激光電源的控制系統(tǒng)，同時利用串口技術實現(xiàn)整個系統(tǒng)與單片機的串行連接，較好地實現(xiàn)了各器件間、器件與主機間以及多主機間的信息交換和相互通信，并給出了基于單片機控制的軟件流程圖。關鍵詞:PWM移相調制串行總線調Q單片機Studyoftheintelligentsolidpulsedlaserpowersourcecontrolsystembasedonserialbus2AbstractBecauseofLasermonochrome，coherence，gooddirectionandhighenergydensity,Laserhasbeenwidelyappliedtodefense，medicalandmachining，etcfields.StudyingonlasercontrolsystemonLaserstability，reliabilityandintelligentisparticularlyimportantandhasabrightfuture.Thispaperintroducesthecharacteristicsofthesolidpulsedlaser，componentsandthechargingcircuitofthesolid-statepulsedpowerandtheprincipleofQ-switchedcircuittheory.Itisilluminatedmainlyonthebasicprincipleofthechargingfull-bridgephase-shiftcircuitPWMconverterandmethods.Itisdesignedacontrolsystemofintelligentsolid-statelaserpowersupplybasedonserialbus.ThesystemissuppliedbyPCI16F877singlechipmicrocomputer,howtousetheserialbustoconnecttheentiresystemandtheMCU，thecommunicationbetweenthehostsandthedevicesofhosts,intheend,itisgiventhedesignoftheprogramandtheprincipleaccordingtotheflowchart.Keywords:phase-shiftPWMmodulation；Serialbus；Q-switched；MCU3目錄第一章緒論11.1前言11.2固體脈沖激光器電源系統(tǒng)的組成11.3單片機在激光電源中的應用31.4論文的研究內容3第二章固體脈沖激光器電源系統(tǒng)52.1激光電源系統(tǒng)的組成與各部分功能52.2充電主電路工作原理及過電流保護52.3脈沖泵浦燈的觸發(fā)與氙燈預燃系統(tǒng)的設計102.4激光調Q電路的組成12第三章PIC單片機組成及其應用介紹163.1PIC引言163.2PIC16F877單片機的組成163.3PIC12C672單片機的組成18第四章串行總線下激光電源系統(tǒng)的單片機控制204.1控制系統(tǒng)的設計要求及單片機的選擇204.2控制系統(tǒng)的硬件設計214.3系統(tǒng)控制軟件設計32第五章結論與展望345.1結論335.2前景與展望33參考文獻351第一章緒論1.1前言激光是一種光頻電磁波，具有很高的頻率(10131015HZ)和良好的相干性，可以用來作為理想的信息傳遞載體，自其問世以來在通信和圖像文字的傳輸與處理中得到廣泛的應用1。同時其又具有高亮度、良好的單色性和方向性等特點，使激光的應用已遍及工業(yè)、軍事、醫(yī)藥和科學研究等諸多領域；尤其是自60年代邁曼(Mailman)發(fā)明世界上第一臺紅寶石固體脈沖激光器以來，人們就開始不斷地探索可以改善固體激光器性能的可調諧激光介質和調諧技術，使得固體激光器得到了飛速的發(fā)展。隨著計算機和微電子技術的提高，PWM脈寬調制技術的成熟、調Q技術和軟開關技術的使用，能量大、峰值功率高、結構緊湊、使用方便的中小功率的固體激光器的應用范圍將繼續(xù)擴展，應用前景更加廣闊2。中小型固體激光器的工作物質主要是摻雜的晶體或玻璃如:Cr3+:Al2O3，Nd3+:YAG和Ti3+:Al2O3等等，使用的激勵大多是光泵激勵，因而固體激光器常常是有工作物質、泵浦源、聚光腔、光學腔和光浦電源幾部分組成，其中激光電源作為產生激光能量的電泵浦源，是激光器最重要的技術設備之一，是決定激光器整體性能的重要因素，有時甚至直接決定整個激光器的性能和質量指標。1.2固體脈沖激光器電源系統(tǒng)的組成在固體激光器的工作物質中，粒子數(shù)的反轉一般都是通過電光泵的抽運來實現(xiàn)，因而在這些激光器中常采用由氣體放電燈放電來形成高亮度輻射源。目前最常用的泵浦電源是電光源，它一方面向激光器提供泵浦能量，另一方面控制激光輸出的強弱和重復頻率。固體激光器泵浦電源常采用脈沖供電和連續(xù)供電兩種形式，早期的脈沖激光電源大多采用工頻交流變壓器進行升壓，并實現(xiàn)對電網(wǎng)的隔離，此種方式往往造成整機的體積極為龐大，變壓器產生的高次諧波對電網(wǎng)的沖擊也較為明顯。進入上個世紀六、七年代，隨著微電子技術和集成電路技術的飛速發(fā)展，大量新型電子器件如功率器件IGBT等的紛紛問世，推動電力電子技術的發(fā)展，使得PWM技術日趨成熟3。人們開始研制開關型電源，它是將工頻交流直接變成直流，再用開關功率變換方法，將直流逆變成中頻交流，通過中頻變壓器進行升壓，與電網(wǎng)隔離后進行整流給儲能電容充電，最后經氙燈放電后給激光器提供泵浦能量，與早期脈沖電源相比，開關型脈沖電源具有其無法比擬的優(yōu)點:21.體積小，重量輕，伴隨著開關逆變頻率的提高，主變壓器和電感的體積逐漸減小。2.高效節(jié)能，利用開關電源，能有效地調整電路的功率因數(shù)，大量減少能量轉換過程中的損失。3.頻率響應快，動態(tài)特性好。隨著逆變頻率的增高，開關電源對負載和供電變化的響應加快，控制更加精確、及時，激光束的質量得到提高?？傊?，通過開關電源技術的使用，可以提高整機的快速響應能力，激光輸出的穩(wěn)定性和使用的方便性。固體脈沖激光電源系統(tǒng)主要包括:電源變壓和整流回路，儲能電容的充電回路，儲能電容對脈沖泵浦燈的放電回路，氙燈的觸發(fā)和預燃回路，控制與調節(jié)回路等幾個部分，其系統(tǒng)結構框圖如圖1-1所示4。圖1-1固體脈沖激光器電源原理框圖其電路原理是:電源系統(tǒng)利用開關技術對大型儲能電容進行充電，儲存電能，當觸發(fā)回路給氙燈提供一個觸發(fā)高壓脈沖時，燈管內氣體被擊穿，氙燈進入低阻狀態(tài)。儲能電路中積累儲存的電能通過氙燈進行脈沖放電，儲能放電電路的適當設計使放電脈沖具有所希望的波形。通過采用預燃技術，使得氙燈觸發(fā)后，預燃電路給氙燈提供一個預燃電流，使氙燈維持小電流導通狀態(tài)。減小觸發(fā)高電壓對電路的影響，脈沖放電主要依賴放電回路中的放電開關進行控制?？刂苹芈纷鳛橄到y(tǒng)的核心器件控制上述各個回路的正常、協(xié)調工作，并提供各種安全、保護功能。固體脈沖激光器泵浦燈每次放電持續(xù)時間短，越幾十微秒至幾十毫秒，而其最大放電能量可達數(shù)千焦耳，放電脈沖功率甚至可達兆瓦。目前尚無法用一個平均功率與之相當?shù)碾娫聪到y(tǒng)直接供電，必須采用一定的儲能元件在不放電時從低平均功率的電源充電電路中得到、積累所需的電能，再由儲能元件將能量傳遞至氙燈，必要時利用調Q電3路從而獲得系統(tǒng)所需要的脈沖功率?？傊?，僅靠單一模塊無法滿足電源要求，必須使用多個模塊分工協(xié)作方可實現(xiàn)。鑒于此控制電路的作用顯得尤為突出，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，激光電源控制系統(tǒng)的自動化、智能化是其今后發(fā)展的主要方向。1.3單片機在激光電源中的應用目前產品中使用的激光電源主要采用高頻開關技術，其特點主要表現(xiàn)為體積小、效率高、功率集成度高，采用全硬件控制，電路較為復雜，自動化程度低。同時電源系統(tǒng)需要對激光泵浦頻率，電源的工作狀態(tài)進行控制，因此要求系統(tǒng)應該具備存儲、運算、接口功能。采用軟、硬件相結合，智能化控制是激光電源的發(fā)展方向，單片機是現(xiàn)代電子技術應用中的主流技術之一。在許多工業(yè)和民用的電子控制系統(tǒng)中，單片機由于具有較強的運算和數(shù)據(jù)處理能力，能提供多路O/I接口和中斷向量，便于實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制。同時單片機由于體積小、成本低易于設計成嵌入式控制系統(tǒng)，使其在系統(tǒng)中往往起著核心的作用。鑒于此，世界上各大芯片制造公司都推出了具有自主產權的各種類型的單片機，從8位、16位到32位應有盡有，其功能也都逐步趨于完善，同時其自身的獨特設計也使單片機自身的電源技術和抗干擾技術趨于成熟，不僅使單片機自身的應用前景更加廣闊，同時也使大量控制系統(tǒng)的智能化設計成為可能。作為其諸多應用之一就是利用單片機實現(xiàn)激光電源控制系統(tǒng)的智能化設計，該控制電路模塊的原理框圖如圖1-2所示4。圖1-2智能固體脈沖激光電源原理框圖1.4論文的研究內容如前所述激光電源作為決定整個激光器系統(tǒng)核心器件之一，隨著4微電子技術和計算機技術的發(fā)展，其控制逐步趨于自動化和智能化。但是就目前所廣泛采用的控制方案中，電源系統(tǒng)的控制大多采用全硬件控制方式，電路比較復雜，自動化程度也較低，即使采用單片機進行控制也僅僅停留在對數(shù)據(jù)的處理、放電時間控制與顯示這一層次上，并且都是采用彼此孤立控制這一控制方式，沒有形成網(wǎng)絡，形成系統(tǒng)。有的控制系統(tǒng)雖然采用了上、下位機雙向通信進行控制，所采用的方案也大多是單片機與PC機之間的通信，即往往利用PC機作為上位機-主機，單片機為下位機從機。這種通信方式上下位機之間不僅要遵循一定的協(xié)議，同時控制方式也較為