周永好

(中山火炬開發(fā)區(qū)理工學(xué)校，廣東 中山 528400)

0 引言

21世紀(jì)激光技術(shù)的飛速發(fā)展帶來(lái)了光纖激光器的廣泛應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的激光器，光纖激光器光電轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好且易于集成，是工業(yè)切割、焊接等領(lǐng)域理想的光源，廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工、醫(yī)療、遙感、安防和科研等領(lǐng)域，光纖激光器的廣泛應(yīng)用對(duì)其控制系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光器控制系統(tǒng)的研究大多是針對(duì)固體激光器和半導(dǎo)體激光器[4-9]，主要包括半導(dǎo)體激光器控制器的發(fā)展現(xiàn)狀[8]、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路等[9-10]，對(duì)光纖激光器的研究主要還停留在光纖激光器發(fā)展現(xiàn)狀[1]、光纖激光器脈沖泵浦特性實(shí)驗(yàn)研究[2]和光纖激光器功率與溫度特性等[3]，缺乏對(duì)光纖激光器控制系統(tǒng)的全面研究。針對(duì)以上問題，本文基于STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率激光器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)具有良好的交互性和實(shí)時(shí)性，通過串口通信發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，經(jīng)過Qt Creator進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和檢測(cè)，在界面上直觀清晰顯示，并能夠?qū)囟?、電流和PD等參數(shù)進(jìn)行保護(hù)控制，確保光源的穩(wěn)定[11-20]。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)的基本原則

基于STM32的大功率光纖激光器控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)原則主要包括：

① 穩(wěn)定性。以單片機(jī)STM32F103VET6作為下位機(jī)硬件主控芯片，包括輸入信號(hào)處理電路、輸出信號(hào)處理電路和保護(hù)監(jiān)測(cè)電路等，精心設(shè)計(jì)的硬件電路可對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確處理，確保了信號(hào)的穩(wěn)定性[12-15]。

② 靈活性。本系統(tǒng)包括命令控制模式和外部控制模式2種控制模式，能靈活根據(jù)場(chǎng)景需要進(jìn)行操作。

③ 交互性強(qiáng)。提供友好的用戶界面，操作簡(jiǎn)單，用戶可在PC端對(duì)信號(hào)進(jìn)行設(shè)定并監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1.2 硬件總體設(shè)計(jì)

為了采集、處理和輸出信號(hào)，本系統(tǒng)采用STM32F103VET6作為硬件設(shè)計(jì)部分主控芯片，硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件總體框圖

此系統(tǒng)主要分為電源模塊、輸入模塊、輸出模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊5部分。其中，電源模塊為硬件提供穩(wěn)定工作電源，輸入模塊用于處理外部的3路輸入控制信號(hào)，輸出模塊用于輸出電源的模擬控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)泵源出光，數(shù)據(jù)采集模塊用于采集電流、溫度和光電轉(zhuǎn)換值PD等，顯示模塊主要由圖形界面的上位機(jī)和指示燈等構(gòu)成[13]。

1.3 輸入信號(hào)處理電路模塊設(shè)計(jì)

為了方便調(diào)試和控制，激光器設(shè)置2種控制模式：命令控制模式和外部信號(hào)控制模式，可通過命令切換2種控制模式，同一時(shí)間只能選擇一種控制模式，系統(tǒng)默認(rèn)為外部信號(hào)控制模式，PWM使能輸入控制信號(hào)和模擬控制信號(hào)采集電路如圖2和圖3所示[14]。

圖2 PWM使能輸入控制信號(hào)電路

圖3 模擬控制信號(hào)采集電路

當(dāng)處于外部信號(hào)控制模式時(shí)，外部輸入信號(hào)有3路：幅值24 V的PWM調(diào)制信號(hào)、幅值24 V的出光使能信號(hào)EN、0～10 V模擬電壓可調(diào)控制信號(hào)DA。其中24 V的PWM調(diào)制信號(hào)和出光使能信號(hào)EN分別通過分壓電路降壓到5 V，經(jīng)過6N137高速光耦器，隔離外部異常信號(hào)的干擾，然后通過SN74HC00相與，得到一個(gè)可用于使能的PWM信號(hào)，通過TC427EOA將5 V的使能PWM信號(hào)降壓到3.3 V，傳遞給單片機(jī)的定時(shí)器端口進(jìn)行PWM信號(hào)的捕獲。對(duì)于0～10 V可調(diào)控制信號(hào)，先通過電阻分壓降為0～4 V電壓，再經(jīng)過ISO124芯片進(jìn)行信號(hào)隔離，隔離外部異常信號(hào)的干擾，然后再經(jīng)過OPA2340進(jìn)行功率放大，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，再經(jīng)過電阻分壓后，得到0～2 V的模擬信號(hào)，輸送給單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行模擬信號(hào)的采集與檢測(cè)。

當(dāng)處于命令控制模式時(shí)，單片機(jī)STM32F103VET6通過串口與上位機(jī)PC進(jìn)行通信，模擬電壓信號(hào)、出光使能信號(hào)和PWM調(diào)制信號(hào)通過上位機(jī)進(jìn)行數(shù)值設(shè)置和使能控制。

1.4 輸出信號(hào)電路處理模塊設(shè)計(jì)

3路外部輸入信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路模塊進(jìn)行處理后送到STM32F103VET6。單片機(jī)捕獲到PWM信號(hào)并判斷其是否符合激光器的應(yīng)用范圍，當(dāng)處于范圍之內(nèi)原樣輸出PWM信號(hào)，本文激光器PWM頻率設(shè)定最高為20 kHz，當(dāng)頻率超過時(shí)，輸出20 kHz的PWM信號(hào)[11]。

與此同時(shí)，單片機(jī)采集到模擬電壓信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部自帶DAC模塊轉(zhuǎn)換成恒流源電壓控制信號(hào)，當(dāng)采集到的模擬電壓超過2 V時(shí)，單片機(jī)只輸出額定功率所對(duì)應(yīng)的恒流源電壓控制信號(hào)。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)和恒流源電壓控制信號(hào)DAC經(jīng)過圖4所示的輸出信號(hào)處理電路模塊進(jìn)行處理[11-13]。

圖4 輸出信號(hào)處理電路

ADG801是一款單刀單擲的模擬開關(guān)芯片，具有極低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度和低泄漏電流特性。經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部DAC模塊處理后的恒流源電壓控制信號(hào)DAC經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器OPA2340進(jìn)行放大，增加驅(qū)動(dòng)能力后，作為ADG801的數(shù)據(jù)輸入端，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過TC427EOA增加驅(qū)動(dòng)能力后，作為ADG801的信號(hào)控制端，為了更有效地保護(hù)激光器，電路中增加一個(gè)保護(hù)輸出信號(hào)SW。當(dāng)激光器正常工作時(shí)，保護(hù)輸出信號(hào)SW為低電平，不影響PWM信號(hào)對(duì)ADG801的控制，恒流源電壓控制信號(hào)DAC-OUT正常輸出，驅(qū)動(dòng)光譜泵源出光；而當(dāng)保護(hù)信號(hào)SW輸出為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，拉低PWM信號(hào)，從而失去對(duì)于ADG801的控制，恒流源電壓控制信號(hào)DAC-OUT無(wú)法正常輸出，無(wú)法驅(qū)動(dòng)光譜泵源出光。

1.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為確保電路正常工作，電路設(shè)有溫度保護(hù)、電流保護(hù)和PD出光檢測(cè)3個(gè)模塊。

溫度保護(hù)模塊：用于金屬切割的激光器的輸出功率一般高于500 W，會(huì)產(chǎn)生大量熱量。為保護(hù)激光不因溫度過高而損壞，采用HWLS-1500型恒溫冷水機(jī)對(duì)其進(jìn)行降溫，其額定制冷量1 500 W，額定加熱功率500 W，控溫精度可達(dá)±0.5 ℃，可有效穩(wěn)定激光器的溫度。同時(shí)采用Pt100熱敏電阻采集多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，保證激光器處于正常工作狀態(tài)[12]。

電流保護(hù)模塊：為保持激光器內(nèi)部清潔，同時(shí)利用水路循環(huán)降溫，本系統(tǒng)采用水冷電源，通過壓控恒流源的方式驅(qū)動(dòng)光譜泵源出光，使激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的功率。當(dāng)激光器工作時(shí)，單片機(jī)分多路檢測(cè)恒流源的電流大小，當(dāng)采集到的電流過高時(shí)，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)，使PWM的控制信號(hào)為低，從而保護(hù)激光器的泵源。

出光檢測(cè)模塊：當(dāng)激光器進(jìn)行切割時(shí)，會(huì)遇到各種金屬材料，而部分材料(如鋁銅等金屬材料)，具有很強(qiáng)的鏡面反射效果，長(zhǎng)期處于強(qiáng)烈的反光情況下，激光器輸出口QBH會(huì)受到一定程度的損壞，因此需要對(duì)激光器的出光和回反光進(jìn)行檢測(cè)，以保護(hù)激光器。本系統(tǒng)使用光電轉(zhuǎn)化模塊，對(duì)激光器的回反光和出光的分光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過運(yùn)算放大器對(duì)轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行放大，當(dāng)電壓超過一定電壓值，即表示有光或者有回反光，反之，即表示無(wú)光或者無(wú)回反光。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件控制部分由2部分構(gòu)成：基于STM32庫(kù)函數(shù)開發(fā)的單片機(jī)程序和基于Qt Creator的圖形用戶界面程序。STM32F1系列是意法半導(dǎo)體出品的32位ARM微控制器，比傳統(tǒng)的單片機(jī)性能更強(qiáng)勁，主頻分36 MHz和72 MHz兩種，價(jià)格低廉，靈活性強(qiáng)，片載資源豐富，內(nèi)部寄存器數(shù)量多，通用輸入輸出功能強(qiáng)大，自帶ADC和DAC轉(zhuǎn)換模塊。本系統(tǒng)以庫(kù)函數(shù)的方式編寫程序，調(diào)用封裝好的庫(kù)函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)外設(shè)，同時(shí)參考寄存器開發(fā)資料對(duì)程序進(jìn)行修改[13-14]。

Qt是一個(gè)多平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序的框架，提供一組更容易理解的GUI類，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快，Qt面對(duì)對(duì)象易擴(kuò)展，允許真正的組件編程，其特有的信號(hào)與槽的處理方式更便于使用。本文通過Qt實(shí)現(xiàn)基于串口通信的上位機(jī)界面，便于檢測(cè)和控制單片機(jī)的硬件系統(tǒng)[16-20]。

2.1 基于STM32的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

正常工作下，硬件控制系統(tǒng)主要是完成外圍電路的檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)輸出等多種功能。依據(jù)上文中激光器驅(qū)動(dòng)控制部分的功能要求，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的STM32程序[12]，流程如圖5所示。

圖5 主流程

程序開始后，MCU初始化，完成對(duì)單片機(jī)時(shí)鐘、引腳和串口的基本設(shè)置，然后由外部輸入命令決定是否切換控制模式，系統(tǒng)默認(rèn)為外部觸發(fā)模式。當(dāng)默認(rèn)為外部觸發(fā)模式時(shí)，由外部信號(hào)觸發(fā)中斷完成出/關(guān)光控制；當(dāng)切換為命令模式時(shí)，由程序指令完成出/關(guān)光控制。出光時(shí)系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)溫度和電流，實(shí)時(shí)監(jiān)控激光器的工作環(huán)境。其相應(yīng)的外部觸發(fā)模式和命令模式流程如圖6和圖7所示。

圖6 外部控制模式

圖7 命令控制模式

2種模式下，都是在采集到出光信號(hào)后，開啟定時(shí)前向光的檢測(cè)，反饋激光器是否正常出光，當(dāng)采集到關(guān)光信號(hào)后，則關(guān)閉對(duì)于前向光的檢測(cè)。同時(shí)，通過定時(shí)器的功能，檢測(cè)PWM信號(hào)的周期和占空比。

2.2 基于Qt Creator的圖形用戶界面設(shè)計(jì)

信號(hào)控制模式包括外部信號(hào)控制模式和命令控制模式2種信號(hào)控制模式，針對(duì)2種信號(hào)控制模式基于Qt Creator分別設(shè)計(jì)外部信號(hào)控制模式圖形界面和命令控制模式圖形界面，用于觀察、檢測(cè)和控制硬件操作系統(tǒng)[19-20]。

當(dāng)處于外部信號(hào)控制模式時(shí)，上位機(jī)圖形界面如圖8所示。

圖8 外部信號(hào)控制模式界面圖

當(dāng)處于命令控制模式時(shí)，上位機(jī)圖形界面如圖9所示。

圖9 命令控制模式界面圖

2次峰值功率選取80%進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)的所有參數(shù)均在界面上清晰、直觀地顯示。圖形界面左上部分顯示各種參數(shù)信息，包括功率來(lái)源、PWM來(lái)源和占空比等六大參數(shù)，當(dāng)處于命令控制模式時(shí)，功率設(shè)置、頻率、占空比3個(gè)參數(shù)可通過該界面設(shè)定，當(dāng)處于外部信號(hào)控制模式時(shí)該3個(gè)參數(shù)由3路外部輸入信號(hào)決定，界面上紅色線條表示當(dāng)前采集的平均電流，藍(lán)色線條則表示當(dāng)前采集的平均溫度，界面右側(cè)詳細(xì)顯示當(dāng)前采集的4路溫度和電流，界面下方左邊記錄欄部分顯示系統(tǒng)報(bào)警時(shí)的錯(cuò)誤信息，界面下方右邊為出光設(shè)置和回光設(shè)置欄，可以設(shè)置PD的比較值，用于檢測(cè)出光和反光。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)得產(chǎn)生不同波長(zhǎng)激光的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 不同波長(zhǎng)激光對(duì)應(yīng)參數(shù)表

設(shè)置百分比/%對(duì)應(yīng)功率/W實(shí)際功率/W對(duì)應(yīng)電流/A實(shí)際電流/A2010097.62.42.540200195.54.84.960300295.47.27.280400396.79.69.6100500501.112.011.9

選取實(shí)驗(yàn)中的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，百分比越高，實(shí)際功率誤差越小，功率為500 W時(shí)實(shí)際功率誤差僅為0.2%，最大功率誤差不超過0.4%；同樣，電流越大，實(shí)際電流誤差越小，電流精度可達(dá)±0.1 A。研究表明，該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制激光器泵源的出光。

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于其他類型激光控制系統(tǒng)或偏向于控制電源的設(shè)計(jì)，或偏向于溫度和電流的檢測(cè)保護(hù)，該控制系統(tǒng)不僅能夠有效控制激光器泵源的出光[6]，上位機(jī)界面還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控激光器工作的電流和溫度參數(shù)[20]，溫度精度可達(dá)±0.1 ℃，電流精度可達(dá)±0.1 A。在切割應(yīng)用方面，該系統(tǒng)具有PD保護(hù)處理電路模塊，能合理有效地保護(hù)激光器免于不同材料反光的損壞。同時(shí)該控制系統(tǒng)具有內(nèi)外2種控制模式，可滿足不同的應(yīng)用需要，人機(jī)交互界面良好，實(shí)用性強(qiáng)，操作便捷，性價(jià)比高，可推廣應(yīng)用于工業(yè)過程控制和智能自動(dòng)化控制領(lǐng)域[7]。