基于FPGA的數(shù)字激光自動功率控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：半導(dǎo)體激光器的自動功率控制是解決激光器閾值漂移的重要手段，本文設(shè)計了一個基于FPGA的數(shù)字激光自動功率控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要由光電檢測、A／D轉(zhuǎn)換、SOC控制、APC判定、PWM反饋輸出及低通濾波幾個部分組成。該自動功率控制系統(tǒng)使用硬件資源少，根據(jù)不同的設(shè)計要求，通過增加PWM模塊和簡單的模擬器件或者改變控制寄存器的設(shè)置，就可以實現(xiàn)多級激光功率和多個激光器的控制，可以大大縮短設(shè)計周期。
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；自動功率控制；現(xiàn)場可編程門陣列；閾值；漂移

    自從激光器在1960年發(fā)明以來，在激光通信中已經(jīng)成為了不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，半導(dǎo)體激光器(LD)是用于高速率光傳輸系統(tǒng)的有吸引力的光源，然而，遺憾的是LD的閾值隨溫度和壽命變化，且因器件的不同表現(xiàn)出現(xiàn)較大的差異。LD的閾值隨著溫度的升高而明顯增大。LD閾值的漂移，給使用帶來很大的不便，如果采用固定的偏流，則必然引起輸出光脈沖峰值功率的浮動，而且，閾值的漂移破壞了已經(jīng)設(shè)計好的工作點(diǎn)，從而引起有害光電延遲、張弛振蕩等現(xiàn)象。在LD高速工作時，這種現(xiàn)象的危害是不可忽視的。為了克服這些弊病，必須對輸出功率進(jìn)行控制，使LD的工作能夠維持在正確的工作點(diǎn)上。
    姚嘉陵等曾設(shè)計基于模擬電路的APC自動激光功率控制電路，通過反饋來自動調(diào)整預(yù)偏置電流來達(dá)到穩(wěn)定LD輸出功率的控制?；驹硎且环矫鎸D背向輸出的光功率經(jīng)背向光探測器PD進(jìn)行檢測，然后經(jīng)過放大器1進(jìn)行放大，送到比較器的反相輸入端；另一方面，輸入信號和從直流穩(wěn)壓電源中取出的直流參考電壓經(jīng)過放大器2放大后送入比較器的同相輸入端，比較器的輸出作為反饋被送到LD的驅(qū)動端，調(diào)節(jié)偏流，達(dá)到穩(wěn)定LD輸出功率的目的。
    模擬電路方法實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是增益控制比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是需要加入的器件較多，且隨著使用時間的增加，模擬器件老化會影響反饋控制的誤差，另外，輸出的激光功率固定不可變，不能實現(xiàn)多級功率的控制。
    筆者提出一種基于FPGA的全數(shù)字激光器功率自動控制系統(tǒng)，不但可以大大簡化電路結(jié)構(gòu)，減少成本，同時消除由器件老化帶來誤差，還可以方便的改變激光器的輸出功率和實現(xiàn)激光器多級功率的控制。

1 自動功率控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    基于FPGA的激光功率自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示其工作原理是：將半導(dǎo)體激光器LD背向輸出的光功率經(jīng)背向光探測器PD進(jìn)行檢測后，轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，該模擬電壓信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換芯片的采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成代表LD實際輸出功率的數(shù)字信號，該數(shù)字信號被送入FPGA芯片中的APC(自動功率控制模塊)進(jìn)行分類、比較和處理，最終輸出調(diào)整后的激光器數(shù)字偏流信號，數(shù)字偏流信號經(jīng)過FPGA內(nèi)部的PWM模塊和外部的模擬低通濾波器轉(zhuǎn)換成模擬信號，來驅(qū)動半導(dǎo)體激光器LD。SOC用于設(shè)置多級激光器輸出功率設(shè)置，APC的工作、停止等控制。
    如圖1所示，本文所設(shè)計的全數(shù)字激光器自動功率控制系統(tǒng)由A／D轉(zhuǎn)換器、FPGA功能設(shè)計模塊和模擬低通濾波器3個部分組成。

2 FPGA模塊設(shè)計
    本設(shè)計使用的是Avnet Design Services公司設(shè)計的FPGA評估板，該評估板使用的是Xilinx公司XC4VLX25-FF668型FPGA芯片。同時，板上還有32MB的DDR SDRAM和8MB的Intel StrataFlash，10／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、USB2．0接口和RS232串行接口，128x64的OLED(Organic Light Emitting Diode)圖形顯示，3組140針通用I／O連接器(AvBus)等硬件結(jié)構(gòu)組成。[!--empirenews.page--]
    如圖2所示，本文中FPGA設(shè)計包括3個部分，SOC、APC和PWM。

    SOC是采用的由GaislerResearch公司于2003年研制完成的一款32位、符合IEEE-1754(SPARCVS)結(jié)構(gòu)的免費(fèi)CPU處理器核Leon2。它的前身是歐空局研制的Leon以及ERC32。Leon2的目標(biāo)主要是權(quán)衡性能和價格、高的可靠性、可移植性、可擴(kuò)展性、軟件兼容性等，其內(nèi)部硬件資源可裁剪(可配置)、主要面向嵌入式系統(tǒng)，可以用FPGA／CPLD和ASIC等技術(shù)實現(xiàn)。Leon2處理器的片上資源如下：分離的指令和數(shù)據(jù)Cache、硬件乘法器和除法器、中斷控制器、具有跟蹤緩沖器的調(diào)試支持單元(DSU)、2個24位定時器、2個通用異步串口(UART)、低功耗模式、看門狗電路、16位I／O端口、靈活的存儲控制器、以太網(wǎng)MAC和PCI接口。Leon2的VHDL模塊可以在大多數(shù)綜合工具上進(jìn)行綜合，可以在任何符合VHDL-87標(biāo)準(zhǔn)的仿真器上進(jìn)行仿真；采用AMBA AHB／APB總線結(jié)構(gòu)的用戶設(shè)計新模塊，可以很容易加入到Leon2中，完成用戶的定制應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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    文中SOC主要實現(xiàn)的功能是控制各個子系統(tǒng)的復(fù)位(RESET)與使能(EN)，為各個子系統(tǒng)提供時鐘信號(CLK)，并可以通過讀(RD)、寫(WR)、片選(CS)3個控制信號、32位的數(shù)據(jù)輸入總線(DIN0～DIN31)、32位的輸出數(shù)據(jù)總線(DOUT0～DOUT31)、32位的地址總線(ADDR0～ADDR31)與各個子系統(tǒng)進(jìn)行讀、寫操作。對于APC子系統(tǒng)，SOC主要完成APC模塊和PWM模塊的系統(tǒng)復(fù)位、使能，為APC模塊、PWM模塊提供時鐘，設(shè)置APC模塊的控制、狀態(tài)寄存器等功能。
    APC結(jié)構(gòu)是激光功率自動控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)。主要功能有兩個：1)完成對A／D芯片的控制，包括A／D芯片工作方式的設(shè)定(通過設(shè)置A／D芯片的控制寄存器)、A／D芯片的控制信號的產(chǎn)生(時鐘信號ADCLK、使能信號ADCS、讀控制信號ADRD、寫控制信號ADWR、并接收A／D轉(zhuǎn)換完成信號ADINT和A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果ADD0～ADD9)；2)對A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(ADD0～ADD9)進(jìn)行處理，即將采樣并轉(zhuǎn)換的激光發(fā)射器的輸出功率與設(shè)置的多級功率進(jìn)行比較，區(qū)分出功率等級，再將標(biāo)準(zhǔn)等級的功率值與實際采樣轉(zhuǎn)換功率值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果給出新的LD驅(qū)動功率值。
    PWM是根據(jù)APC模塊輸出的新的LD驅(qū)動功率值，通過調(diào)制方波的占空比來改變輸出的直流分量，經(jīng)過低通濾波器后得到需要的模擬電壓信號，來驅(qū)動LD。使用PWM模塊一可以用數(shù)字電路設(shè)計取代昂貴的D／A轉(zhuǎn)換器，二是可以靈活的增加或減少被控制LD的數(shù)量。

3 自動激光功率控制設(shè)計的A／D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計
    本設(shè)計中的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司生產(chǎn)的TLV1571芯片，TLV1571是一款10位單通道模擬輸入的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部有兩個8位的控制寄存器CR0、CR1來控制ADC的工作模式，包括軟件轉(zhuǎn)換或硬件轉(zhuǎn)換開始選擇、內(nèi)部或外部時鐘選擇、二進(jìn)制或二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出、硬件或軟件配置等工作模式。本設(shè)計通過將TLV1571的兩個控制寄存器設(shè)置在外部時鐘信號，軟件控制轉(zhuǎn)換工作方式，其工作時序如圖4所示。

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    當(dāng)CS和WR信號均為低電平時，寫TLV1571的控制寄存器，設(shè)置完TLV1571的控制寄存器后，在WR的上升沿開始A／D采樣，采樣持續(xù)6個時鐘周期后，自動進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換需要10個時鐘周期，轉(zhuǎn)換完成后，INT變低，通知FPGAA／D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，同時，將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在D0～D9數(shù)據(jù)總線上準(zhǔn)備好，在RD信號的下降沿，數(shù)據(jù)被讀入FPGA內(nèi)進(jìn)行下一步處理。TLV1571的時鐘信號CLK、CS、WR、RD均由FPGA產(chǎn)生。D0～D9與FPGA的10個雙向I／O端口相連，用于完成TLV1571兩個控制寄存器的設(shè)置以及A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的傳遞。圖5為TLV1571與FPGA連接電路圖。

4 模擬低通濾波器的設(shè)計
    本設(shè)計的模擬低通濾波器采用簡單的一階有源濾波器，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

5 結(jié)束語
    選擇半導(dǎo)體激光器LC25，設(shè)定輸出功率要求為2 W，PD采用InGaAs PIN光電探測器，PD檢測的結(jié)果既用于自動功率控制的輸入，還作為自動功率控制的結(jié)果檢驗。如果自動功率控制良好，則PD的輸出將穩(wěn)定在額定值上。利用泰克示波器對PD檢測信號進(jìn)行檢測，本文設(shè)計的自動功率控制實現(xiàn)了對半導(dǎo)體激光器輸出功率的穩(wěn)定控制。
    本文設(shè)計的新型全數(shù)字自動激光功率控制設(shè)計應(yīng)用FPGA設(shè)計使用硬件資源少，節(jié)約成本；可以通過設(shè)置相應(yīng)功率等級寄存器的值就可以很容易的改變功率等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)，大大增加了功率控制的靈活性；通過增加PWM模塊和簡單的模擬器件，就可以實現(xiàn)多個激光器的控制，大大縮短設(shè)計周期。