激光电源的数字控制系统.pdf

第21卷第2期湖 北 工 业 大 学 学 报2006年04月 Vol 21 No 2 Journal of Hubei University of TechnologyApr 2006 收稿日期 2005 06 28 作者简介 盛秋林 1956 男 湖北武汉人 湖北工业大学副教授 研究方向 通信与信息技术 文章编号 1003 4684 2006 0420044204 激光电源的数字控制系统 盛秋林 张 莉 湖北工业大学电气与电子工程学院 湖北 武汉430068 摘 要 介绍了以89C51为核心的激光电源单片机控制系统 设计了相应的硬件电路 软件程序及抗干扰措 施和保护电路 实现了精密的自动化控制和数字式显示 其中 控制单元采用主从CPU结构来生成脉冲控制 信号 逆变充电网络采用PWM全桥逆变器 功率场效应管作为功率器件 系统体积小 重量轻 抗干扰能力 强 可靠性高 动态响应快 运行稳定性好 功能齐全 操作方便 关键词 单片机 激光电源 D A转换 LCD显示 中图分类号 TP303 3 文献标识码 A 激光电源目前普遍采用普通晶闸管调相整流方 式 并用电位器手动调节输出电流 系统的动态响应 时间为几十ms 对于弧光放电的较高频率扰动 这 种方式无法做出快速响应 致使激光功率的随机波 动一般大于5 降低了光束死亡品质 限制了激光 的应用场合 另外 当加工过程中需要调整激光输出 的周期 脉宽时 只能由手动调节 无法用计算机实 现同步控制 降低了加工工艺 加工精度和自动化程 度 随着功率电子器件的发展 尤其是20世纪80年 代的新型绝缘栅双极型晶体管 IGBT 的出现 再加 上微机技术的不断提高和推广 促进了微型计算机 测量与控制技术的迅速发展和广泛应用 将PWM 开关电源技术与新型的单片机控制引入激光电源 能有效提高整机的性能价格比 简化激光电源的硬 件结构 大大增强了整机的自动化程度和功能扩展 能力 从而方便地实现对激光电源的计算机控制与 管理 为了满足医疗领域对激光器的要求 采用以 89C51为核心的单片机控制系统与场效应晶体管 MOSFET 相结合 制成了新型的激光电源 本文 重点讨论单片机控制激光电源的有关内容 1 系统的总体设计 从图1可以看出 整个系统可以分为主电路和 控制电路两大部分 其中主电路包括逆变充电回路 放电回路 保护电路 预燃电路等 当电源上电后 首 先启动预燃电路 使氙灯预燃 进入辉光放电状态 氙灯预燃稳定后 自动给控制电路上电 使整个电源 系统工作 系统控制单元的核心是完成控制任务所 必备的关键电路 它包括主从CPU 数模转换器 RS232接口电路以及键盘 显示等 控制单元的功能可以由纯模拟电路方式和混合 电路方式实现 前者采用纯模拟电路结构产生各种 控制信号 频率及幅度的调节由切换转换开关和调 节电位器来实现 其电路稳定度较高 但电路结构较 复杂 遥控功能较弱 扩展接口能力差 后者采用了 单片机及模拟电路的混合结构 电路结构相对简单 稳定性高 可控性好 接口功能很强 在设计中采用 了这种电路结构 控制单元实现的功能如下 1 通过芯片内部的 PWM模块产生模拟电压 控制逆变充电电路 2 由 外部按键预置放电频率 脉宽 脉冲数 由I O口实 现LCD显示 3 实现激光电源与PC机通信 通过 内部A D转换测量激光能量 4 实现电源内部的预 燃自检 过流 过脉宽 温度保护 5 由按键选择内外 触发信号 外触发信号由INT中断引入 输出同步 放电触发信号 6 产生放电脉冲信号时序并控制充 电信号 7 标准RS232计算机通信接口实现上 下 位机的双向通信 2 主电路 主电路 1 将市电直接整流滤波成直流电压 经 脉冲调制器产生一对相位互差180 的脉冲电压控 制直流变换器的开关元件V1 V4 将直流转换成 高频方波 再经高频整流给储能电容C0充电 达到 预定值之后 控制电路发出信号使氙灯外触发 将放 电晶闸管触发导通 C0通过氙灯放电 达到向激光 器提供能量的目的 主电路如图2所示 在逆变充电 网络中 V1 V2 V3 V4为逆变开关 采用功率MOS2 FET组成全桥电路 其中MOSFET的控制电路由 SG3525A为核心构成 芯片输出两组反相信号 经 变压器隔离后分别驱动V1 V3和V2 V4 3 控制单元 3 1 主从CPU的选择 本设计中采用了 主从CPU 的单片机系统方 案 其结构如图3所示 系统的控制指令由两片 CPU发出 同时从CPU又受控于主CPU 主CPU 及其相关电路置于控制盒内 负责系统的显示 按键 以及向从CPU发送数据等任务 从CPU置于主机 箱内 负责接收由主CPU发送过来的数据 然后完 成向数模转换器发送数据 产生周期脉冲信号等任 务 在这个过程中 由于数据传送距离较远 主从 CPU之间是通过RS232接口进行串行通讯的 这里选用了ATMEL公司的AT89C51作为主 从CPU AT89C51是一种功耗小 高性能的8位单 片机 AT89C51单片机与Intel 80C51单片机在引 脚排列 工作特性 硬件组成 指令系统等方面完全 兼容 3 2 数模转换电路 单片机对激光电源的控制 其核心为D A转换 电路 即把设置的数字量转换为激光电源主电充电 电压的模拟量 从CPU接收到主CPU发送过来的 幅度调节信号是12位的数字量 要通过数模转换电 路转换为相应的模拟量 才能控制后级电路 在这里 选用了为串行接口设计的精密12位单片CMOS乘 法数模转换器AD7543 由于其单一工作电压 功耗 低 很容易与4位或8位微处理器接口 广泛用于智 能化仪器仪表 工业控制系统中 由AD7543为核心 构成的数模转换电路如图4所示 外接的运算放大 器为AD OP207 它是高精度运算放大器 具有极低 的失调电压 10 V 和偏置电流 0 7 nA 温度系 数为0 2 V AD7543的 基 准 电 压 源 选 用 AD584可编程基准电压源 将其2脚与1脚短接 输出即为5 V 3 3 双机通讯接口 2 主从CPU之间数据是通过两个单片机的串口 来通讯的 MCS251的串行口和其它标准串行接口 芯片一样 输入输出均为TTL电平 这种TTL电 平传送数据的方式 抗干扰性差 传输距离短 如果 两个单片机应用系统相距在1 m之内 它们的串行 口可直接相连 从而实现双机通讯 如果在1 m之 外 则需采用标准通讯接口进行通讯 本系统采用了 标准串行接口RS232 波特率为9 6 K 接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或 CMOS电平 而RS2232的电平和TTL和CMOS电 平是不同的 所以二者在通讯时 必须进行电平转 换 集成电路芯片或外接分立元件电路可以完成电 平转换这一工作 这里采用了MAXIM公司的 MAX232 它可以实现双四路TTL电平与RS2232 54 第21卷第2期 盛秋林等 激光电源的数字控制系统 电平的相互转换 MAX232内部有电压倍增电路和 转换电路 仅需 5 V电源供电 再外接4个小电容 即可工作 双机通讯的接口电路如图5所示 4 控制单元外围电路 4 1 键盘 键盘有启动 停止 波形选择 功率预置 增量 减量5个按键 可设定功率 频率 脉宽 脉冲数的预 置值 五个键优先级从高到低依次是启动 停止 波 形选择 功率预置 增量 减量 上电时 波形选择 功 率预置 增量 减量键有效 当增 减键被连续按下 时 增 减的速度会自动加快 以便能尽快的达到所 需要的值 上电5 s以后 启动 停止键有效 当系统 处于运行状态时 仅启动 停止键有效 3 4 2 显示 用LCD显示输出频率 输出脉宽 输出脉冲数 在待机状态下 显示当前的频率 脉宽 输出脉冲数 值 当处于预置状态时 LCD显示块闪烁 如果此时 有增 减键按下 将增减相应值 当处于报警状态时 显示器显示 error 并且闪烁 4 3 电路抗干扰措施 开关型激光电源工作时 干扰很大 特别是当氙 灯使用外触发方式工作时 会产生极强的电磁干扰 干扰会对控制系统带来严重影响 轻则使系统的信 息误差增加 重则使系统失控 设计中要采取各种抗 干扰措施 保证系统的可靠运行 如在单片机系统与 外围控制单元输入输出之间 全部采用光电隔离技 术 这样一方面有效地消除沿传输线窜入的外部干 扰信号 另一方面也限制了内部各种干扰对其他电 路的影响 为防止来自电源线路的干扰 在电源的输 入端 接噪声滤波器 在电路板中 设置去耦电容 高 频滤波电容等 滤除电源中的高频干涉 采用数字滤 波 指令冗余 软件陷阱 睡眠抗干扰等措施 尽可能 地减少干扰对整个系统的影响 4 4 4 电源故障检测 利用中断方式实现激光电源故障检测 即把电 源的短路 过流 过压等检测信号 通过89C51中断 口输入 利用中断来实现对激光电源的各种保护控 制 即当任一检测信号变成低电平时 89C51响应中 断 如当检测到激光电源主电充电电压过压时 89C51响应中断 然后执行中断处理程序 关断开关 电源的调制信号 关断主电电源开关及在LCD液晶 显示器上显示电源故障信息 5 软件设计 本系统软件 5 由若干程序模块 包括初始化模 块 键盘管理模块 显示模块 查表模块等组成 主程 序流程图如图6所示 64湖 北 工 业 大 学 学 报2006年第2期 接通电源后 系统首先检查是否有上电标志 如 果存在上电标志 说明系统是由于受到干扰而引起 复位操作的 系统需进行热启动 系统自动对当前状 态进行修复和有选择的初始化 然后执行键盘扫描 程序 如果不存在上电标志 系统需进行冷启动 全 面初始化 进而循环执行键盘扫描程序 如果有键按 下 就执行相应功能模块 6 结束语 该系统可输出连续 单脉冲 重复脉冲功能 功 率输出从0 50 W连续可调 脉冲脉宽小 可预置 工作参数 精确控制手术范围 深度等 是智能化医 疗设备 激光束输出功率精确 稳定 医生操作更安 全 激光输出功率和照射时间在面板上由数字显示 直观方便 为医务人员总结临床资料提供正确的数 据 激光输出时 控制面板上各功能按键有对应指示 灯显示 提高了操作的安全性 参 考 文 献 1 曾 忠 詹晓东 全桥型IGBT脉冲激光电源 J 电源 技术应用 2000 3 107 108 2 先锋工作室 单片机程序设计实例 J 北京 清华大学 出版社 2002 100 135 3 王运谦 激光电源的程序化控制 M 激光与红外 1998 28 3 149 152 4 张锦龙 刘越峰 激光电源的单片机控制系统 J 河南 科技大学学报 自然科学版 2004 25 3 60 62 5 韩志军 沈晋源 王振波 单片机应用系统设计入 门向导与设计实例 M 北京 机械工业出版社 2005 179 198 Control System of Laser Power Supply of Microprocessor SHENG Qiu2lin ZHANG Li School ofElectrical and Electronical Engin Hubei Univ of Technology W uhan 430068 China Abstract This paper introduces the control system of laser power supply by 89C51 single chip microcom2 puter designs the corresponding hardware circuits and software procedures which implement the accurate automatic control of timing and digital display Among them the control unit of the primary and subordi2 nate CPU structure has very high precision of control taking PWM switch power supply and the power field2effect transistor as the power device The whole power supply has many advantages such as sm