（检测技术与自动化装置专业论文）能够检测ld工作寿命的驱动电源的研制.pdf

河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 摘要 随着光电子技术的迅速发展，半导体激光器( l d ) 已经越来越广泛地应用于通 信、军事、国防、科研、医疗等领域。在l d 的应用中，保证其工作的安全性、连 续性是非常重要的。l d 工作寿命的突然终结不仅会造成工作延误，而目继续使用 时会造成器件损坏，带来不必要的经济损失。所以，使激光器正常工作，对其工 作状态能够进行检测，并保障其可靠运行的激光器驱动电源就显得尤为重要。 本文介绍了一种能够实时检测l d 工作寿命，并具有寿命告警和失效保护功能 的驱动电源。该驱动电源可由两种电路形式实现：一种是通过单片机和现场可编 程逻辑器件( f p g a ) 来完成，它主要包括模拟部分和数字部分，模拟部分主要包 括对l d 的稳流驱动，工作参数的采集，键盘输入和寿命报警四大部分。数字部分 主要包括单片机对f p g a 的程序配置，单片机接收f p g a 的数据并进行相应的运算 处理，单片机对外围设备的驱动，f p g a 对外围d a 和a d 转换器的控制四个模块。 该电路由软件代替部分硬件执行功能，不仅节省了硬件费用，而且保障了电路的 稳定性，避免硬件电路因环境影响而产生的参数变化，同时，利用软件的灵活性 和可修改性，提高了系统的智能化、可程控化。另一种是由纯硬件电路实现的。 l d 工作参数的采集、数据的运算与比较、对l d 的控制，全部由硬件电路来完成， 电路既保证了l d 的恒功率驱动，又实现了对l d 的寿命检测与保护功能，完全符合 设计的要求。 本论文的主要内容如下： 1 介绍了l d 的工作原理、结构和输出特性，讨论了l d 对驱动电源的要求， 简要说明了l d 常用的驱动技术与驱动实现方式。 2 根据l d 连续工作方式下对电源的要求，结合本设计的设计思想，确定了 设计的整体电路结构，并阐述了整个设计的工作原理。 3 对本设计中用到的智能控制器( 单片机、f p g a 器件) 进行介绍，分析了 它们的工作原理，并将它们在电路中的功能进行深入的分析、探讨。并介绍了它 们与外电路的连接关系。 河南大学榆测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 4 对各个功能模块的硬件电路原理进行介绍、分析，并作出相应的理论推导。 重点分析了l d 的电流驱动电路，l d 工作参数采集电路，介绍了l d 工作温度控 制装置。 5 介绍了智能控制器的程序实现方式，根据软件设计要求和各个功能子程序 的实现方法，提供了详细的部分功能源程序代码。 6 根据测试的实验数据进行分析，并得出结论。 7 提出本设计纯硬件电路的实现方法，并根据相应的电路原理图，进行详细 的分析、说明。 关键词：半导体激光器；驱动电源；寿命检测：f p g a 河南大学榆测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp h o t o e l e c t r o nt e c h n o l o g y ，t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r ( l d ) h a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so fc o m m u n i c a t i o n ，m i l i t a d 7a f r a i r s ，n a t i o n a l d e f e n s e ，s c i e n t m cr e s e a r c h ，m e d i c a lt r e 咖e n ta n ds oo n i ti sv e 叫i m p o r t a n tt oe n s u r e t h a tt h el dc a nw o r ks a f e l ya n dc o n t i n u o u s l y n ew o r kw i l lb ed e l a y e da n dt h el d w i l lb ed e s t r o y e dw h e nu s e do ne n di ft h el i f e t i m eo fl di se n da b n l p t l y ，w h i c hb r i n g s o nu n w a n t e de c o n o m i cl o s s t h e r e f o r e ，t h ed r i v i n gs o u r c ew h i c hc a nm a k et h el dw o r k n o m a l l y ，d e t e c ti t sw o r ks t a t ea n de n s u r et h a tt h el dm n sr e l i a b l yi sn e c e s s a 眄 o b v i o u s l y t h et h e s i sp r o v i d e sa ( 1 r i v i n gs o u r c ew h i c hc a nd e t e c tr e a l - t i m e l yt h e1 0 n g e v i 够o f l da n dh a v et h e 凡n c t i o n so fe n d - o f - l i f ea l a 咖a n di n v a l i d a t i o np r o t e c t i o n t h ed r i v i n g s o u r c ec a nc o m et m ei n 似ow a y s ：o nw a yi sa c h i e v e db ym i c r o p r o c e s s o ra n df i e l d p r o 目a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，a n di tm a i n l yi n c l u d e sa n a l o g i c a la n dd i g i t a l c i r c u i t s a n a l o g i c a lc i r c u i t sc o n s i s to fd r i v i n gl di n v a r i a b l y ，s 锄p li n gp a r a m e t e r sa b o u t l d ，k e y b o a r di n p u ta n de n d o f - l i f ea l a n l l d i g i t a lc i r c u i t sc o n s i s to fc o n n g u r a t i o n f p g a b ym i c r o p r o c e s s o r ，r e c e i v i n gd a t a 仔o mf p g aa n do p e r a t i n go rd e a l i n gw i t hd a t a ， d r i v i n go u t e rc i r c u i t sb ym i c r o p r o c e s s o r ，c o n t r o l l i n gd aa n da 厂dc o n v e r t e r sb yf p g a ， l n s t e a do fp a n i a lh a r d w a r e 向n c t i o n sb ys o 鲰v z u r e ，i nt h i s w a y ，i tn o to n l ys a v e s h a r d w a r ee x p e n s e ，b u ta l s os t a b i l i z e st h ew h o l ec i r c u i t ，a n da v o i d sp a r 锄e t e r sv a r i a t i o n o fh a r d w a r ec i r c u i t sb e c a u s eo fe n v i r o n m e n t e 疗e c t ，m e a n w h i l e ， i m p r o v e st h e i n t e l l i g e n c ea n dc o n t r o l l a b i l 时t a k i n ga d v a n t a g eo ff l e x i b i l i 够a n da m e n d m e n to ft h e s o f h v a r e t h eo t h e rw a yi sa c h i e v e db ya l lt h eh a r d w a r ec i r c u i t s a l lt h e 向n c t i o n m o d u l e s ，s u c ha s ，c o l l e c t i n gw o r kp a r a m e t e r so fl d ，o p e r a t i n ga n dc o m p a r i n gd a t a ， c o n t r o l l i n gl d ，c o m et n l eb yh a r d w a r e i nt h i sw a y ，t h es c h e m ew h i c hn o to n l yc a n d r i v el du n d e rt h ew a yo fi n v a r i a b l ep o w e r ，b u ta l s od e t e c tl o n g e v i t yo fl da n dp r o t e c t i t ，m e e t sd e s i g na i n l s t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ef 0 1 1 0 w s ： ( 1 ) t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ， s t l l j c t u r ea n d o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so fl da r e i i i 河南大学榆测技术。j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 i n t r o d u c e d ，a n dt h ed r i v i n gs o u r c er e q u i r e m e n to fl di sd i s c u s s e d ，a n dd r i v i n g t e c h n o l o g ya n dd r i v i n gr e a l i z a t i o no fl da r en o t e ds i m p l y ( 2 ) t l h eo v e r a l ls t l l 】c t u r eo ft h ec i r c u i to ft h ed e s i g ni s s e tu p ，a n dt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l eo ft h ed e s i g ni s e l a b o r a t e da c c o r d i n gt ot h ed r i v i n gr e q u i r e m e n to fl di n c o n t i n u o u sw a y ，t o g e t h e rw i t hd e s i g ni d e a so ft h es y s t e m ( 3 ) i n t e l l i g e n tc o n 仃o l l e r su s e ds u c ha sm i c r o p r o c e s s o r ，f p g aa r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e h o p e r a t i o np r i n c i p l e s a r ea n a l y z e d ，a n dt h e i rr o l e si nc i r c u i t sa r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l s w h a t sm o r e ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nw i t ht h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r sa n de x t e m a lc i r c u i t si si n t r o d u c e d ( 4 ) c i r c u i tp r i n c i p l e so fv a r i o u s 如n c t i o n a lm o d u l e si nh a r d w a r e a r ei n t r o d u c e d ， a n a l y z e d ， a n dc o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n sa r es h o w n t h ec i r c u i t s 百b o u t c u r r e n td r i v i n go fl da n dc o l l e c t i n gp a r a m e t e r so fl da r ea n a l y z e de m p h a t i c a l l y ，a n d t h ed e v i c eo ft e m p e r a t u r ec o n t r o lo fl di si n t r o d u c e d ( 5 ) r e a l i z a t i o nw a y si np r o g r a mo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r sa r ei n t r o d u c e d ，a n d d e t a i l e d ，p a r t i a lp r o g r 锄c o d e sa r es h o w ni nt e m so fr e q u i r e m e n t si np r o g r a md e s i g n a n dr e a l i z a t i o nw a y so f 如n c t i o n a ls u b p r o g r a m s ( 6 ) t h ee x p e r i m e n td a t a 仔o mt e s t s a r ea n a l y z e d ，a n dr e l a t e dc o n c l u s i o n sa r e d r a w n ( 7 ) r e a l i z a t i o nw a yo f 如l lh a r d w a r ec i r c u i t si sp u tu p ，t h es c h e m ei sa n a l y z e da n d n o t e di nd e t a i l sa c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n gp r i n c i p i ed i a g r a m s k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r ；d r i v i n gs o u r c e ；e n d o f - l i f ed e t e c t i o n ；f p g a 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成奇勺，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所儆的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。；j ；。，。i 。 ，j。j ； ； 多 ， 。 i7 矽。 学位申请人( 学位论文作者) 签名：。趣垒叁 o j ，j 。| j | | j | l | 7 _ 、? ”? 。一 。f ? 。l ， ， ，j j 5 ，、 “一二i：形2 0 勺苫年月哆目 ，： 77 ，7 ，7 一j ， ：。5z vq 口中 护门 夕口 ，j ，? ：1 。 ，- ? p。 j j ： ： ! ： ”j 。，!。：，7 2 ；1 ，t 一 。 弦 ， 一 ，1 ；t ，i，一；j 。 j 名 2 一 。 ，j ， i j 7 j 誓 。， w ，j ，$ 7z；，- 7 _ 。多 j ：- 。- ： ：j ， j ：。 一7 ； 一，：5 、 ， ，-， 7 j关于学位论文著作权使用授权书i j ；j 。，j ：。：f j 。j ?7： 7、j j 77 。，。t j ：勺，y 7 t 彩。77 ? j 本人经河南大学审核 比准授子硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学住论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的。可以采取影印j 缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 甄质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学住论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 釜名：猛篁乏 2 06 富年石月侈目 学位论文指导教师签名：多丝圣近唾 2 0 卯年月，日 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕七学位论文 第一章绪论 1 1 半导体激光器( l d ) 的进展 随着激光技术的发展，商品化半导体激光器输出功率越来越大，波长范围覆 盖可见及红外光部分，加之具有体积小、重量轻、效率高、低压驱动等特点，与 传统的c 0 2 、y a g 等医用激光器相比，逐渐显示出其特有的优势和广泛的应用前 景【i 。3 】。在一些测量仪器中，选用半导体激光器照明，能满足单色性好、相干性好、 光束准直、精度高等要求，在远距离通讯，激光雷达，数字信号处理，激光测距， 全息应用，医学治疗等方面有极其广泛的应用。 1 1 1 半导体激光器发展历史 早在1 9 6 2 年，g e 公司的霍尔( h a l l ) 用两个镜面构成谐振腔首次看到了g a a s p n 结正向偏置的相干光发射，此后还有很多在制造工艺、器件结构设计、阈值、 温度特性和光学性质方面的研究结果发表，这些都属于l d 的第一发展阶段同 质结注入型激光器。此类激光器有一个共同的致命弱点，即受激发射阈值电流密 度特别高，通常要5 1 0 4 a c m 2 _ 1 1 0 5 a c m 2 ，因此只能在液氮温度( 或更低) 和脉 冲状态( 脉宽三1 s ，占空比 8 4 m s 的一种瞬变电压，是一种突发性的瞬态电脉冲，使半导体 激光器瞬时承受过电压可使p n 结击穿，在瞬态过电压下的正向过电流所产生的光 功率可以使解理面损伤。即使在纳秒的时间内超过半导体激光器最大允许电流 i m 戤，也会使其破坏或受损【12 1 。即使受损伤较轻，反复多次后也将导致性能逐渐下 降。半导体激光器损伤的程度或半导体激光器承受浪涌冲击的能力取决于激光器 本身的材料参数( 如介电常数) 和器件结构( 特别是结面积) 。 产生浪涌的原因是多方面的，根据浪涌的强度和持续时间上的差异，其对半 导体激光器产生的影响和表现形式也不尽相同。下面给出一些常见的产生浪涌的 现象、原因分析和防止浪涌的措施。 1 半导体激光器驱动电源在没有慢启动措施的情况下接通和断开电路时，会 在电路中形成一个过渡过程，即在开启时，驱动电流的过冲易使p n 结遭电击穿， 解理面遭光损伤或破坏。即使浪涌的强度或持续时间不致于在第一次开启电源时 使激光器产生完全的失效，但在多次浪涌的冲击下也会加速半导体激光器性能的 河南大学榆测披术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 退化和最后失效。因此半导体激光器应采取慢启动电路。 2 半导体激光器的管脚不是通过焊接而是直接插入管座中，以便能方便更换， 这是用户常采用的一种方式，也是激光器制造厂在测试器件时所采取的方式。如 果管脚和插座的接触不良，因而会造成时通时断而产生接触过电压浪涌过程。为 此，要确保半导体激光器管脚与管座有良好月可靠的电接触。 3 半导体激光器的慢启动电路与半导体激光器相并联的电容的电容量过大或 对电容的充电电压过高，则在关断电源时，电容放电可引起半导体激光器过电流， 使其p n 结发生击穿，解理面损坏。 4 与半导体激光器驱动电路相并联的外电路的浪涌( 如驱动电路接入照明线， 而某一与之并联的荧光灯开关时，会产生1 0 0 0 v 作用的浪涌) 串人驱动电路，造 成激光器击穿。为此，不应将半导体激光器驱动电路并接于启动频繁的，含有较 大电容或电感负荷的线路上，或者应在二者之间以能抑制浪涌的噪声滤波器进行 隔离。 5 有些用户需对半导体激光器频繁使用，同时需用电位器调节激光器驱动电 流和输出功率，若电位器滑动触点在滑动过程中出现机械或尘屑引起的接触不良， 则将导致浪涌，危害激光器。因此要检查与选择好电位器，同时为防止调节过程 中不慎失于，使驱动电流超过允许的额定电流而损坏激光器，宜于电位器串接一 个限流电阻，即使调节电位器过冲全最小阻值处，仍有固定电阻限定其电流在允 许的范围内。 6 当需用电烙铁将半导体激光器管脚与驱动电路焊接时，如电烙铁漏电，其 浪涌能使激光器损坏。为此，应使用外壳( 也包括烙铁头) 有可靠保护接地措施 的电烙铁，最好使用烙铁头无电泄漏，小发生感应电位而接地的电烙铁，也可使 用蓄电池式烙铁。为慎重起见，还可待烙铁工作到正常温度后断电立即焊接。 为防止电烙铁功率过大或焊接时间过长而使半导体激光器产生热击穿，应使 用小功率( m c uf p g a 7 4 h c 扒 2 4 5 广 l f f i f o l i 图3 - lf p g a 与单片机的连接框图 f p g a 器件与单片机连接的框图如图3 1 所示。f p g a 由单片机控制，接受单片 机的指令、数据，根据指令完成对a d 、d a 器件的控制。从l d 采集的数据经过f p g a 存到f i f o 中，当收到读数据指令时，将数据输出给单片机，通过双向缓冲器 7 4 h c 2 4 5 ，实现数据的双向传输。 以上各功能模块由f p g a 全局时钟产生的脉冲信号对a d 转换、d a 转换进行 触发。键盘输入的参数经过消抖动处理后存于单片机的设置寄存器中，当有按键 操作时，标志寄存器f n t w 的相应位置“1 ”，将设置寄存器内容送至显示译码，以 显示当前的电流设定值，并将标志寄存器f n t w 的相应位清零，设定显示寄存器内 容不变，直到检测到寄存器f n t w 相应位变高。f p g a 器件每隔l m s 对l d 温度、驱 动电流、p d 管监测电流进行采样，并将d 转换器启动标志s t a i 盯置“1 ”，当f p g a 器件接收到来自a d 转换器件的结束标志时，一方面将采样参数存入p a r a n t w 【7 ： 0 】寄存器，经过数据转换后，送入参数显示寄存器进行显示，另一方面将采样的监 测电流值与对应的驱动电流值进行比较转换，将比较输出数据发往输出寄存器进 行输出控制。 3 1 2f p g a 器件配置 由于f p g a 器件是基于s r a m ( 静态随机存储器) 查找表的编程单元，该种器 件的编程信息是保存在s r a m 中的，s r a m 在掉电后编程信息立即丢失，在下次上 电后，还需要重新载入编程信息 3 1 。因此，该种器件编程时需要配置器件，即将编 程信息预先存入配置器件，每次系统上电后由配置器件对f p g a 器件进行在线配 2 3 河南大学榆测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 置。 一配置方式的选择 对于f p g a 器件的配置，一般主要有以下三种配置方法 4 】： 1 使用专用e p c 配置器件，如e p c i 6 、e p c 8 、e p c 2 、e p c i 。 2 在含有微处理器的电路中，可以使用微处理器的串口或并口，采用p s 方式 ( 被动串行) 、p p s 方式( 被动并行同步) 、p p a 方式( 被动并行异步) 。 3 采用边界扫描方式( j t a g ) ，使用j t a g 下载电缆。 由于本设计采用的是含有单片机的处理系统，故本设计采用第2 种方法对 f p g a 器件进行配置。p s 是通过串行方式送到f p g a 中。p p s 是以并行方式送给 f p g a ，f p g a 在其内部将并行数据转换成串行数据，该数据转换时需要外部配置 时钟的驱动。p p a 是微处理器将配置数据以并行方式送给f p g a ，然后在f p g a 内 部进行数据串行化处理。与p p s 不一样的地方是串行化处理时彳i 需要配置外部时 钟的驱动，但接口更复杂，工程中很少使用。而比较p s 和p p s ，所用的配置时间几 乎相同，而p s 的接口方式比较简单，所以本设计选择p s 方式配置f p g a 。 二p s 方式配置时序 单片机 p 8 9 c 6 1 x 2 p 2 1 p 2 2 r x d t x d p 2 3 l kq1 kq n c m s e l o m s e l l n c e c o n fd o n e n s t a l l l s n c e o da _ 1 a o d c l k n c o n f i g 图3 2 单片机用p s 模式配置f p g a 电路 利用单片机p 8 9 c 6 1 x 2 配置f p g a 器件的配置电路图3 2 所示。单片机的五个端 河南大学检测技术j 白动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 口分别连接五个信号：n c o n f l g 、n s t a t u s 、c o n fd o n e 、d a 队0 、d c l k 。 对f p g a 器件的配置关键是在于产生合适的时序。单片机首先在n c o n f i g 上送出一 个大于8 “m 的负脉冲，并且检测n s t a t u s 上的信号。当f p g a 接n c o n f i g 上的下 降沿时，迅速将n s t a t u s 和c o n fd o n e 拉低，并且保持低电平信号一直到 n c o n f i g 抬高电平。当n c o n f i g 上抬高电平后过1 岬，n s t a t u s 也将电平抬高，微 处理器检测到n s t a t u s 上的变化后认为f p g a 已经做好了接收数据的准备。下一步 单片机将产生配置时钟脉冲，配置时钟的第一个上升沿至少要比n s t a t u s 上升沿 晚l m 。又由于配置数据和配置时钟上升沿同步，所以在配置时钟上升沿发生之前， 数据线必须已经有了配置数据信号。配置数据是按照低位在前高位在后的顺序把 数据送上数据线。当所有数据都传输完毕后，c o n fd o n e 线上电平被抬高以示配 置完毕。如果传输中出现了异常，f p g a 迫使n s t a t u s 拉低电甲，微处理器一旦检 测到了这种现象将重新开始配置。由于配置文件中已经包含了f p g a 初始化的一些 代码，所以传输完配置文件后，f p g a 就可以正常工作了。其时序如图3 3 所示。 删 厂_ _ _ _ _ o - o _ _ _ - - _ o - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 眦 n 几n 几几一一 帅二二) 二) ( ) = 二二二二 鼻阻抗位o位i位2一位一蠢阻抗 图3 3p s 方式配置信号时序图 3 2 单片机及其外围电路 本设计采用的单片机电路主要包括单片机器件、存储器、晶振、复位电路等， 实现的电路功能包括： ( 1 ) 接收外部键盘输入信号，并进行相应的防抖动处理。 河南大学榆测技术1 j 白动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 ( 2 ) 接收f p g a 器件输入的l d 的工作参数及温度参数，并进行相应的处理， 转换，将结果送入f p g a 器件进行输出控制。 ( 3 ) 将接收到的l d 工作参数进行转换、译码，输出到l c d 显示器进行显示。 ( 4 ) 控制、驱动外围的寿命报警电路。 3 2 1 单片机器件 单片机器件采用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 6 1 x 2 5 1 器件。片内有6 4 k 的f l a s hr o m 和2 5 6 b 的r a m 。由于f l a s h 存储器可以分块擦写，因而前3 2 k 的存储块主要用来存 放f p g a 器件的配置时序，后3 2 k 的存储块主要用来存放用户的设置参数，系统再 次上电后可以读取掉电前的各种设置，有效避免设置参数的多次修改，可以极大 地方便用户操作。但因p 8 9 c 6 1 x 2 单片机的内存较小，需要外扩一片5 1 2 k 的程序存 储器和2 5 6 k 的数据存储器。 单片机采用外部时钟电路，振荡源采用1 2 m h z 晶振。复位电路的设计使用系 统复位芯片m a x 7 0 6 ，具有大范围的工作电压，当监测到电源电压低于4 4 v 时，产 生复位信号。 3 2 2 键盘输入部分 键盘输入部分实现简单的人机交换。键盘的设定是由方向键和功能键共同组 成，操作简单。上下键用来改变设定值大小，左右键用来移动光标，取消键返回 原来画面，确定键完成数据输入，这样操作人员可以方便地设定驱动电流和工作 温度的大小。按键还包括运行开关、温度开关等，可以方便进行各种功能选择。 该部分连接电路如图3 4 所示。为显示方便，图中只显示出其中两个按键时的连接 电路。按键采用中断输入方式，每一中断输入线通过线与的关系连接到c p u 的外 部中断源，同时利用输入端口输入线作为各中断源的识别线【6 】。 2 6 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 v c c 图3 4 键盘输入原理图 由于设计中所用的开关为机械开关，闭合和断开时存在机械振荡，输出脉冲 含有毛刺和尖峰，会使单片机产生误操作，所以在开关的两个脉冲输出端分别接 了滤波电容。经过滤波电容，平滑后的波经施密特触发器再次变为边沿极陡的方 波。后面的与非门电路起波形变换的作用，为了适合单片机下降沿触发的输入中 断。另外，施密特触发器的输出接到了单片机的p 1 口，用来确定键盘键号，以识 别哪一个键处于闭合状态。 当单片机工作于查询方式的时，要不间断的对外部按键进行查询，其间单片 机不能干其他的任何工作，c p u 的大量时间可能会浪费在原地踏步的查询操作上。 为进一步提高单片机的工作效率，这里采用中断方式。当硬盘上有键闭合时产生 中断请求，c p u 响应中断，执行中断服务程序，判别键盘上闭合键的键号，并作 相应的处理。充分利用了有效的时间，提高了c p u 的运行效率。 3 2 3显示部分 系统显示部分选用的是北京信通时代科技有限公司的l g 2 4 0 1 2 8 1 b d w 液晶 显示模块，为2 4 0 1 2 8 点阵，可以显示图形、字符和汉字。其连接图如图3 5 所示： 2 7 河南大学榆测技术o j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 m c ul c d 模块 味 p o d b 【o 7 】 - v o u t v 0 c 1 p 3 5，c e = lo ： p 3 6、v r 一u ，l p 3 7r dk 驱 1 j d 1 j 3 n d 图3 5 液晶显示部分连接图 液晶模块的数据总线与单片机的p o 口相连，片选端、写信号端和读信号端分 别与p 3 5 脚、p 3 6 脚和p 3 7 脚相连，通过单片机直接控制液晶模块。l c d 模块的输 出端电压v o u t 为负电压，它由1 8 v 电源电压经过分压，并由稳压二极管稳压之后 得到。 该液晶显示模块由液晶显示控制器t 6 9 6 3 c 及其周边电路、行驱动器t 6 a 4 0 组、 列驱动器t 6 a 3 9 组、液晶驱动偏压电路、显示存储器以及液晶组屏组成。模块的对 外接口实质上是t 6 9 6 3 c 与微处理器的接口【7 1 。 在液晶显示模块中配有3 2 k 的显示存储器，该存储器经设置指令设置( 区域、 方式) 后，显示存储器中被设置的空间内的每一个“位”都与液晶屏上的每一个像素 ( 点) 相对应，而“位”的二值性就表示液晶屏上像素是否“显现”。t 6 9 6 3 c 则将显 示存储器中设置区域的内容不断地、扫描式地送向液晶屏，我们则可以通过显示 模块对外的接口将需要显示的“数据”送入显示r a m 中设置区域。 3 2 4 寿命报警电路 当l d 正常工作时，单片机的报警输出位为高电- 甲，报警电路不工作；当检测 到l d 工作寿命终结时，单片机的相应输出位为低电平，此时p n p 型二极管q l 导通， 蜂鸣器b 1 响，同时报警指示灯发光，指示操作人员及时维护、管理。该部分电路 如图3 6 所示。 2 8 河南大学检测技术! i 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 3 3 电流驱动电路 图3 6l d 寿命报警电路图 b 1 保证l d 输出稳定的光功率，并准确地检测其工作寿命是整个设计的关键。因 此，设计电路中要提供恒定的驱动电流。电流驱动电路包括d a 转换电路和恒流电 路。这部分电路实现的功能是将控制电路产生的控制电压经过电压电流转换，低通 滤波和功率放大后得到所需的驱动电流，用以驱动l d 【8 】。 3 3 1d a 转换电路设计 d a 转换即数模转换，是将数字量转换成与其数字值成正比的模拟量。本论 文中选用a d 7 5 4 5 作为d a 转换芯片。 a d 7 5 4 5 是一种1 2 位的低功耗的单片集成电路，它具有电路板数据锁存器， 是c m o s 复合电平的d a 转换器。数据锁存在单1 2 位宽度的字内，并允许用在大部 分1 2 位或者1 6 位数据总线的接口。数据输入到锁存器的过程是在c s 和w r 输入的控 制下进行的，当控制信号为低电平时，数据输入不需要经过任何缓存便可以直接 进行操作。a d 7 5 4 5 的数字信号是并行输入的，而且具有1 2 位的分辨率，能够在快 速调节中保证调节信号的连续性。 a d 7 5 4 5 的核心电路为梯形电阻解码嘲络( 图3 7 ) ，其特点是电阻接成“梯形”， 2 9 河南大学检测技术j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 电阻网络由相同的环节组成，每个环节仅由两个电阻r 和2 r ，电阻网络的节数与二 进制数的位数相同，每一节的等效电阻皆为r 。每一位都会受到数字信号对应位开 关的控制，并在输出端外接一个运算放大器，通过反馈电阻与内部梯形电阻的匹 配，最终实现输入的二进制数字量到十进制输出量的转换。 a d 7 5 4 5 的对参考电压源要求很高，本论文中采用基准电压源l m 3 3 6 5 为其提 供参考电压( 图3 8 ) ，该电路能够产生5 v 的电压，还可以通过变阻器对其进行调 节和校准。 _ii- p 导 1口口t 口p 口口b 嘲 图3 7a d 7 5 4 5 内部梯形解码网络 r f 丑 o u t i a 6 d 图3 8l m 3 3 6 5 电路 设a d 7 5 4 5 的参考电压为u r e f ，经过对梯形电阻解码嘲络的分析和运算放大器 的基本计算，按照说明书上匹配反馈电阻，我们可以得出输出电压u o u t 与输入数 字量d 之间的关系： 胙一昙陆：一旦陆 2 “4 0 9 6 3 3 2 后端的恒流电路 为了使激光器输出稳定的激光，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电 路必须是低噪声的稳定恒流源 9 1 。稳流驱动电路如图3 9 所示。 由f p g a 器件输出的驱动控制信号经过相应的数模转换后接入图3 9 中运放 l c l 的“+ ”输入端，由电阻r 1 、r 2 、运放i c l 和三极管q 1 级成第一级恒流源电路， 其原理如下：当由于某种原因致使流过三极管q 1 的集电极电流升高时，流过电阻 r 2 的电流也随之升高，即电压v 1 升高。由于电压v l 是通过负反馈的形式接入运入 i c l 的“”输入端的，因而运放l c l 的差模输入电压减小，其输出电压也随之降低， 从而减小了三极管q 1 的输出电流，达到了稳流的目的。同理，由运放i c 2 、电阻r s 、 3 0 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 复合管q 2 和激光管l d 组成了第二级恒流源回路，该级选用复合管的目的是扩大该 驱动电路的输出电流，增大其应用范围。由于该电路由两级恒流源电路组成，大 大提高了电流的稳定性。根据理想运放的条件：u p _ u n ，i p = i n = 0 ，由图可知： = 警 ， y 4 = y 2 ( 3 2 ) y 2 = 蜘d 一际l ( 3 3 ) 设计中选用尺l = 成= 1 0 k ，根据3 1 、3 2 、3 3 式，很容易得出： ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由3 5 式可知，输出电流厶u 。只与电阻尺s 有关，而与其它器件的输出特性无 关。只要选用合适的尺s 值，就可以通过简单的线性运算得到控制信号和输出电流 间的关系。本设计中的电阻尺s 选用康铜合金电阻，该种电阻具有较低的电阻温度 系数，受温度影响较小，而且具有比较好的抗氧化和耐腐蚀性能，电阻稳定性能高， 因而，电流厶。受环境的影响较小，稳定系数高。同时由于q 2 采用的是复合管， 可以有效地避免采用m o s f e t 管时因外界静电感应电压过高而被击毁【l 们。 河南大学榆测技术。j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 3 4 信号采样电路 图3 9l d 稳流驱动电路 信号采样电路是模拟信号接入f p g a 处理器件前的转换电路，f p g a 控制外围 信号精度的大小主要取决于信号采样的准确度与精度，因此该部分电路与器件的 选用至关重要。 3 4 1 信号放大电路 该放大电路的模拟信号放大器件采用的是失调电压、电流低，开环增益高的 高精度运放o p 0 7 。该部分电路如图3 1 0 所示，电流、功率和温度的采样电压信号， 经过低失调运放o p 0 7 的线性驱动后进入a d 转换器，转换后得到的数字信号再送 入f p g a 器件进行控制。图示中，由尺3 、风、风和可调电阻尺w 构成o p 0 7 的调零部 分，实现了同相端的偏斜电流补偿，使输出端信弓准确地反映输入的模拟信号的 变化。反馈电阻r 卉口电容c l 并联构成了电路的斜波补偿部分。为抑制偏流而产生的 失调，在电路中接入r f r l = r 2 ( r 3 + 心) ，并且使r 1 在1 0 k q 以下。大大提高了模 拟信号采样的准确度。 3 2 河南大学榆测技术1 i 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 图3 1 0 信号放大电路 3 4 2 后端刖d 转换设计 a d 转换即模数转换，是将模拟量转换成与其模拟值成正比的数字量。本论 文中选用一种架构的转换器。该种器件的工作原理图如图3 - 1l 所示。 模 图3 1l 一a d 转换器工作原理图 图3 1 1 中，经过抗混叠滤波的模拟输入信号v i 与反馈信号反相求和，得到量化 的误差信号v a 。误差信号v a 进入积分器进行积分，输出的信号v b 输入至量化禚进 行量化，得到由0 和l 组成的数字序列v d 。数字序列v d 又经过一位的d a 反馈至求 和节点，形成闭合的反馈环路。最后，数字序列v d 经过数字抽取滤波器滤除有用 信号带宽以外的量化噪声。这里的量化器实际上是一个比较器。由反馈理论可知， 3 3 河南大学榆测技术1 j 自动化装置专业2 0 0 5 级硕十学位论文 反馈环路将强迫输出数字系列v d 对应的模拟平均值等于输入信号的采样v 1 的平均 值如果采样值v l 的采样率满足采样定理，即等于或大于奈奎斯特频率，这时的数 字输出系列v d 就是它对应的数字转换。 d 转换器的优点如下【1 1 ，1 2 】： ( 1 ) 对元件参数的匹配精度1 i 敏感。 ( 2 ) 除了抗混叠滤波器等少量的模拟部分外，其他部分都是数字电路，易于 集成。 ( 3 ) 由于该转换器采用过取样频率，而且闭环反馈回路有噪声整形作用，因 而信噪比远大于其他a d 转换器。 ( 4 ) 由于反馈环路中只用1 位的量化器，也彳、= 需要高精度的取样保持电路， 因此电路简单。 本设计选用的a d s l1l o 是德州仪器生产的1 6 位的高精度、连续自校准a d 转换器，带有差分输入和高达1 6 位的分辩率。它主要由一个带有可调增益的 模数转换器核构成，它的输出是与输入电压成比例的数字，是一个标量值，它与 两个模拟输入端的压差成比例。当选用数据速率为1 6 s p s ，且p g a = 2 时，输出 码的理想表达式为： 输出酮6 3 8 4 2 掣 ( 3 - 6 ) 由于该种结构的转换器采用过取样频率，而且闭环反馈回路有噪声整形作用， 因而其信噪比远大于其他a