1基于串行總線(xiàn)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(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)療和機(jī)械加工等各個(gè)領(lǐng)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(yīng)用前景。論文詳細(xì)介紹了固體脈沖激光電源系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成，對(duì)固體脈沖激光電源的充電回路和調(diào)Q電路工作原理進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)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(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了固體脈沖激光電源的控制系統(tǒng)，同時(shí)利用串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)與單片機(jī)的串行連接，較好地實(shí)現(xiàn)了各器件間、器件與主機(jī)間以及多主機(jī)間的信息交換和相互通信，并給出了基于單片機(jī)控制的軟件流程圖。關(guān)鍵詞:PWM移相調(diào)制串行總線(xiàn)調(diào)Q單片機(jī)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(jī)在激光電源中的應(yīng)用31.4論文的研究?jī)?nèi)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(guò)電流保護(hù)52.3脈沖泵浦燈的觸發(fā)與氙燈預(yù)燃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)102.4激光調(diào)Q電路的組成12第三章PIC單片機(jī)組成及其應(yīng)用介紹163.1PIC引言163.2PIC16F877單片機(jī)的組成163.3PIC12C672單片機(jī)的組成18第四章串行總線(xiàn)下激光電源系統(tǒng)的單片機(jī)控制204.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及單片機(jī)的選擇204.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)214.3系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)32第五章結(jié)論與展望345.1結(jié)論335.2前景與展望33參考文獻(xiàn)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(lái)作為理想的信息傳遞載體，自其問(wèn)世以來(lái)在通信和圖像文字的傳輸與處理中得到廣泛的應(yīng)用1。同時(shí)其又具有高亮度、良好的單色性和方向性等特點(diǎn)，使激光的應(yīng)用已遍及工業(yè)、軍事、醫(yī)藥和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域；尤其是自60年代邁曼(Mailman)發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石固體脈沖激光器以來(lái)，人們就開(kāi)始不斷地探索可以改善固體激光器性能的可調(diào)諧激光介質(zhì)和調(diào)諧技術(shù)，使得固體激光器得到了飛速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的提高，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的成熟、調(diào)Q技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的使用，能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的中小功率的固體激光器的應(yīng)用范圍將繼續(xù)擴(kuò)展，應(yīng)用前景更加廣闊2。中小型固體激光器的工作物質(zhì)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(lì)大多是光泵激勵(lì)，因而固體激光器常常是有工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)腔和光浦電源幾部分組成，其中激光電源作為產(chǎn)生激光能量的電泵浦源，是激光器最重要的技術(shù)設(shè)備之一，是決定激光器整體性能的重要因素，有時(shí)甚至直接決定整個(gè)激光器的性能和質(zhì)量指標(biāo)。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(zhì)中，粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)一般都是通過(guò)電光泵的抽運(yùn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而在這些激光器中常采用由氣體放電燈放電來(lái)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(qiáng)弱和重復(fù)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(jìn)行升壓，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的隔離，此種方式往往造成整機(jī)的體積極為龐大，變壓器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的沖擊也較為明顯。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)六、七年代，隨著微電子技術(shù)和集成電路技術(shù)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(wèn)世，推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得PWM技術(shù)日趨成熟3。人們開(kāi)始研制開(kāi)關(guān)型電源，它是將工頻交流直接變成直流，再用開(kāi)關(guān)功率變換方法，將直流逆變成中頻交流，通過(guò)中頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離后進(jìn)行整流給儲(chǔ)能電容充電，最后經(jīng)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(kāi)關(guān)型脈沖電源具有其無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):21.體積小，重量輕，伴隨著開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源，能有效地調(diào)整電路的功率因數(shù)，大量減少能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損失。3.頻率響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好。隨著逆變頻率的增高，開(kāi)關(guān)電源對(duì)負(fù)載和供電變化的響應(yīng)加快，控制更加精確、及時(shí)，激光束的質(zhì)量得到提高?？傊?，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的使用，可以提高整機(jī)的快速響應(yīng)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(chǔ)能電容的充電回路，儲(chǔ)能電容對(duì)脈沖泵浦燈的放電回路，氙燈的觸發(fā)和預(yù)燃回路，控制與調(diào)節(jié)回路等幾個(gè)部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)技術(shù)對(duì)大型儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，儲(chǔ)存電能，當(dāng)觸發(fā)回路給氙燈提供一個(gè)觸發(fā)高壓脈沖時(shí)，燈管內(nèi)氣體被擊穿，氙燈進(jìn)入低阻狀態(tài)。儲(chǔ)能電路中積累儲(chǔ)存的電能通過(guò)氙燈進(jìn)行脈沖放電，儲(chǔ)能放電電路的適當(dāng)設(shè)計(jì)使放電脈沖具有所希望的波形。通過(guò)采用預(yù)燃技術(shù)，使得氙燈觸發(fā)后，預(yù)燃電路給氙燈提供一個(gè)預(yù)燃電流，使氙燈維持小電流導(dǎo)通狀態(tài)。減小觸發(fā)高電壓對(duì)電路的影響，脈沖放電主要依賴(lài)放電回路中的放電開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制?？刂苹芈纷鳛橄到y(tǒng)的核心器件控制上述各個(gè)回路的正常、協(xié)調(diào)工作，并提供各種安全、保護(hù)功能。固體脈沖激光器泵浦燈每次放電持續(xù)時(shí)間短，越幾十微秒至幾十毫秒，而其最大放電能量可達(dá)數(shù)千焦耳，放電脈沖功率甚至可達(dá)兆瓦。目前尚無(wú)法用一個(gè)平均功率與之相當(dāng)?shù)碾娫聪到y(tǒng)直接供電，必須采用一定的儲(chǔ)能元件在不放電時(shí)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(chǔ)能元件將能量傳遞至氙燈，必要時(shí)利用調(diào)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(wú)法滿(mǎn)足電源要求，必須使用多個(gè)模塊分工協(xié)作方可實(shí)現(xiàn)。鑒于此控制電路的作用顯得尤為突出，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，激光電源控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化是其今后發(fā)展的主要方向。1.3單片機(jī)在激光電源中的應(yīng)用目前產(chǎn)品中使用的激光電源主要采用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)，其特點(diǎn)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(fù)雜，自動(dòng)化程度低。同時(shí)電源系統(tǒng)需要對(duì)激光泵浦頻率，電源的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，因此要求系統(tǒng)應(yīng)該具備存儲(chǔ)、運(yùn)算、接口功能。采用軟、硬件相結(jié)合，智能化控制是激光電源的發(fā)展方向，單片機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中的主流技術(shù)之一。在許多工業(yè)和民用的電子控制系統(tǒng)中，單片機(jī)由于具有較強(qiáng)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)單片機(jī)由于體積小、成本低易于設(shè)計(jì)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(chǎn)權(quán)的各種類(lèi)型的單片機(jī)，從8位、16位到32位應(yīng)有盡有，其功能也都逐步趨于完善，同時(shí)其自身的獨(dú)特設(shè)計(jì)也使單片機(jī)自身的電源技術(shù)和抗干擾技術(shù)趨于成熟，不僅使單片機(jī)自身的應(yīng)用前景更加廣闊，同時(shí)也使大量控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)成為可能。作為其諸多應(yīng)用之一就是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)激光電源控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，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?jī)?nèi)容如前所述激光電源作為決定整個(gè)激光器系統(tǒng)核心器件之一，隨著4微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其控制逐步趨于自動(dòng)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(fù)雜，自動(dòng)化程度也較低，即使采用單片機(jī)進(jìn)行控制也僅僅停留在對(duì)數(shù)據(jù)的處理、放電時(shí)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(méi)有形成網(wǎng)絡(luò)，形成系統(tǒng)。有的控制系統(tǒng)雖然采用了上、下位機(jī)雙向通信進(jìn)行控制，所采用的方案也大多是單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，即往往利用PC機(jī)作為上位機(jī)-主機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)從機(jī)。這種通信方式上下位機(jī)之間不僅要遵循一定的協(xié)議，同時(shí)控制方式也較為