基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要 對應(yīng)用于激光打標(biāo)中脈沖光纖激光器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)其組成原理與工作原理，設(shè)計了以FPGA芯片為核心的控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了在打標(biāo)過程中對脈沖光纖激光器出光的時序控制、輸出功率控制及聲光調(diào)制器(AOM)驅(qū)動控制等功能。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精簡、集成度高、處理速度快，實現(xiàn)了對激光打標(biāo)機的實時準(zhǔn)確的控制。
關(guān)鍵詞 FPGA；脈沖光纖激光器；功率控制；AOM

    脈沖光纖激光器因具有優(yōu)異的光束質(zhì)量、較高的功率和功率密度、易冷卻、高穩(wěn)定性和可靠性等多方面優(yōu)點，使其在激光打標(biāo)、印刷、微機械加工、選擇性切割、焊接、醫(yī)療、光信息處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。激光打標(biāo)是利用激光在需要進(jìn)行標(biāo)記的工件表面刻蝕出具有一定深度或顏色的文字或圖案等，從而在工件的表面留下永久性標(biāo)記。作為一種現(xiàn)代精密加工方法，與腐蝕、電火花加工、機械雕刻、印刷等傳統(tǒng)的加工方法相比，激光打標(biāo)具有較大的優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成電路芯片、金屬名片、電子及通訊產(chǎn)品、食品包裝等眾多領(lǐng)域的圖形和文字標(biāo)記。
    該設(shè)計以單片的FPGA芯片為核心，利用其出色的邏輯事物處理能力，替代單片機控制器完成部分功能，減輕單片機的負(fù)擔(dān)；利用其快速的并行處理功能，可以同時處理多個控制指令，提高整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。同時將一些外圍數(shù)字電路集成在一起，可以使一些分離的元器件整合，以提高系統(tǒng)的可靠性。

1 脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理
    光纖激光器根據(jù)是否在其諧振腔中加入調(diào)Q開關(guān)以及鎖模器件，將其分為脈沖光纖激光器和連續(xù)光纖激光器。由于在脈沖光纖激光器的諧振腔內(nèi)加入了開關(guān)調(diào)制器件，所以其輸出的激光以高能量脈沖的方式輸出，而連續(xù)光纖激光器則以連續(xù)的方式輸出。

    圖1為聲光調(diào)Q脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)與其他激光器的結(jié)構(gòu)基本相同，由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)，使光子得到反饋，并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的諧振腔和激勵光躍遷的泵浦源即半導(dǎo)體激光器(LD)。其中諧振腔是由高反光柵(HR)和低反光柵(LR)構(gòu)成的正反饋機制組成。為實現(xiàn)脈沖式的激光輸出，在諧振腔內(nèi)加入了聲光調(diào)制器(AOM)器件作為調(diào)Q開關(guān)，通過周期性改變諧振腔損耗，實現(xiàn)調(diào)Q激光脈沖輸出。聲光調(diào)制器由對激光波長透明的聲光介質(zhì)及換能器組成。常用的聲光介質(zhì)有熔融的石英、重火石玻璃等。換能器是將高頻電信號轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光調(diào)Q器件置于激光器諧振腔中，當(dāng)超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)會產(chǎn)生與超聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率周期性變化，形成“相位光柵”。激光在超聲場作用下發(fā)生衍射，由于一級衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，使激光振蕩難以形成，高能級大量積累反轉(zhuǎn)粒子。某一時刻突然撤去超聲場，衍射效應(yīng)消失，諧振腔損耗下降，激光脈沖形成。盡管利用調(diào)Q技術(shù)能夠獲得相對高的能量脈沖輸出，但在實際工業(yè)打標(biāo)中其輸出的能量還是不足的。為進(jìn)一步提高脈沖光纖激光器輸出的功率，在其輸出端增加了光纖功率放大級，即采用主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)即MOPA結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其突出特點是：主振蕩級主要是產(chǎn)生光束質(zhì)量較好的種子光，并通過光纖耦合器傳輸?shù)焦β史糯蠹?；功率放大級主要對主振蕩級輸出的種子光利用雙包層光纖放大技術(shù)對其進(jìn)行功率放大；實現(xiàn)了在保證輸出優(yōu)異光束質(zhì)量的同時又產(chǎn)生了高能量、高功率的脈沖輸出。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計
    控制系統(tǒng)設(shè)計思路：為實現(xiàn)脈沖光纖激光器能夠?qū)崟r、高效地控制，并使該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴展性功能。為此，采用以單片F(xiàn)PGA芯片為核心實現(xiàn)整個系統(tǒng)硬件設(shè)計，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

    控制原理或過程：首先通過上位機打標(biāo)軟件，設(shè)置脈沖光纖激光器的基本參數(shù)，例如輸出平均功率、聲光調(diào)制器(AOM)的重復(fù)頻率及打標(biāo)方式等。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，通過并口傳輸給該控制系統(tǒng)。當(dāng)FPGA檢測到上位機發(fā)出的控制指令時，首先初始化其內(nèi)部的功能模塊，然后由各功能模塊產(chǎn)生控制信號來有序地控制脈沖光纖激光器正常工作。

3 功能模塊設(shè)計
    系統(tǒng)絕大部分的控制功能都是在FPGA中實現(xiàn)。文中采用Alter公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，選用型號為EP1C3T100。該款芯片共有2 910個邏輯單元、13個M4K的存儲模塊、1個鎖相環(huán)和65個可自定義I／O腳。
3．1 聲光調(diào)制器(AOM)驅(qū)動控制模塊
    當(dāng)上位機打標(biāo)軟件設(shè)定聲光調(diào)制器的重復(fù)頻率為20～200 kHz時，經(jīng)過上位機控制板卡數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)生與設(shè)定頻率相同的周期方波信號并加載到該控制系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)檢測到方波信號的上升沿到來時，將產(chǎn)生與該信號同步的窄脈沖信號，脈沖寬度根據(jù)重復(fù)輸入頻率的值在0．1～1μs之間變化。
    實現(xiàn)原理：(1)利用FPGA精確的定時能力設(shè)計一數(shù)字頻率計，對上位機輸出的方波信號進(jìn)行頻率檢測，當(dāng)檢測出被測信號的頻率后，利用FPGA精確的延遲技術(shù)，實現(xiàn)脈沖寬度可調(diào)的同步信號。如圖3所示，為測頻法的基本原理。在確定的閘門時間Tw內(nèi)，記錄被測信號的變化周期數(shù)或脈沖個數(shù)Nx，則被測信號的頻率為Fx=Nx／Tw，當(dāng)閘門的時間Tw為1 s時，測被測脈沖個數(shù)Nx就為被測信號的頻率。

    (2)該功能模塊在FPGA內(nèi)部組成原理如圖4所示。被測信號的頻率輸入范圍為20～200 kHz，基準(zhǔn)時鐘為FPGA的時鐘頻率100 MHz。因為基準(zhǔn)時鐘的頻率為100 MHz并遠(yuǎn)大于被測信號的頻率，所以以被測信號的一個周期作為閘門時間即T1=10 ns，在T1內(nèi)對100 MHz的基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行計數(shù)，被測周期的個數(shù)為N1，則被測信號的周期Tw=T1·N1。FPGA根據(jù)被測信號的頻率，產(chǎn)生與其對應(yīng)的同步脈沖信號，并加載到聲光調(diào)制器的輸入端。

    (3)實驗結(jié)果如圖5所示，在不同的輸入頻率下示波器顯示的輸出波形。圖5(a)為在輸入重復(fù)頻率為200 kHz，輸出同步脈沖寬度為700 ns。圖5(b)為輸入重復(fù)頻率為58．8 kHz，輸出同步脈沖寬度為800 ns。從實驗結(jié)果可以看出，利用FPGA可以成功地實現(xiàn)隨輸入頻率的不同，而產(chǎn)生不同的同步脈沖信號，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

3．2 狀態(tài)機模塊
    在整個控制系統(tǒng)中存在大量的時序關(guān)系，為實現(xiàn)對時序高效、可靠的邏輯控制，采用有限狀態(tài)機的方怯來實現(xiàn)。有限狀態(tài)機有兩種基本類型：米利(Mealy)機和摩爾(Moore)機，米利機的下一狀態(tài)和輸出取決于當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前輸入；摩爾機的下一狀態(tài)取決于當(dāng)前的狀態(tài)和當(dāng)前的輸入，但其輸出僅取決于當(dāng)前狀態(tài)。這兩類有限狀態(tài)機的下一狀態(tài)和輸出都是由組合邏輯電路形成，其原理框圖如圖6所示。

    FPGA根據(jù)狀態(tài)機的不同狀態(tài)，有序地實現(xiàn)相應(yīng)的功能控制，例如對激光器電源加電的軟啟動控制、平均輸出光功率的反饋控制、半導(dǎo)體激光器的開啟與關(guān)斷時間控制和數(shù)據(jù)處理與顯示等功能。如圖7中(a)所示為半導(dǎo)體激光器由上電軟啟動過程，首先由0電壓逐漸上升到工作電壓值，最后以脈沖輸出電壓的方式控制半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)。圖7(b)所示為利用狀態(tài)機實現(xiàn)的部分時序控制仿真圖。圖中輸入信號pin19 _1為脈沖光纖激光器的出光和不出光控制信號，當(dāng)pin19_1為高電平時，經(jīng)過FPGA數(shù)據(jù)處理后，將產(chǎn)生3路控制信號mo、pa1、pa2，分別用于控制主振蕩級半導(dǎo)體激光器LD1和功率放大級的半導(dǎo)體激光器LD2及LD3開啟與關(guān)斷狀態(tài)。

3．3 功率控制模塊
    對脈沖光纖激光器輸出平均功率的控制，采用模糊控制方法來保證輸出功率的穩(wěn)定性。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)。其優(yōu)點是：其不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型；并具有數(shù)學(xué)控制的精確性和軟件編程的靈活性。由模糊控制理論可知，模糊控制系統(tǒng)所用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度就越高。但是維數(shù)選擇越高，模糊控制規(guī)律就越復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實現(xiàn)就更困難。在權(quán)衡
了該系統(tǒng)的設(shè)計要求與實現(xiàn)復(fù)雜度兩方面因素后，采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器設(shè)計。

    如圖8所示為功率控制組成原理，首先由光電探測器將光纖激光器輸出的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大濾波后轉(zhuǎn)換為容易被處理的模擬電信號。將該信號通過A／D轉(zhuǎn)換為可以被FPGA處理的數(shù)字信號，同時將其存入到寄存器中進(jìn)行緩存處理。對存入到緩存中的數(shù)據(jù)，一是用來與預(yù)先設(shè)定的功率值進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差值E；二是當(dāng)下一個時鐘上升沿到來時，通過加減法器把前后兩次測量結(jié)果相減得到誤差值EC。根據(jù)獲得的誤差值E和誤差的變化EC，對存儲在只讀存儲器ROM中的模糊控制規(guī)則表進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，并將獲得的數(shù)據(jù)通過D／A轉(zhuǎn)換為模擬量來控制半導(dǎo)體激光器輸出電流的大小，從而控制脈沖光纖激光器輸出平均功率的大小。

    圖9(a)所示為模糊控制仿真功能圖，圖中mo_feedback為種子源功率反饋值，當(dāng)其反饋值小于設(shè)定值150時，說明反饋值減小，此時FPGA根據(jù)設(shè)定模糊控制規(guī)則，會使種子源的輸出mo_out值增大。圖9(b)為在FPGA模糊控制下的D／A轉(zhuǎn)換模擬量輸出，其輸出電壓值將控制LD輸出電流的大小。在工作正常時，D／A輸出模擬電壓值穩(wěn)定在約3 V，當(dāng)光電探測器探測的光功率反饋值大于設(shè)定功率值時，F(xiàn)PGA通過查找存儲在ROM中的模糊控制表來減小輸出的模擬電壓，最后使輸出模擬電壓約穩(wěn)定在0．5 V，此時使設(shè)定的功率值與實際測量的功率值相等。

4 結(jié)束語
    根據(jù)脈沖光纖激光器在激光打標(biāo)中的工作原理，設(shè)計了以FPGA芯片為核心的功率控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了各功能模塊設(shè)計，并具有處理速度快、安全系數(shù)高等特點。能夠滿足光纖激光打標(biāo)機的指標(biāo)要求。同時為使該系統(tǒng)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，還需要對功率控制算法進(jìn)行完善，使其輸出的功率更加穩(wěn)定。