一种基于SoPC的半导体激光器驱动装置的制作方法

本实用新型涉及脉冲激光控制领域，尤其是一种高压光导开关的触发器。

背景技术：

目前，脉冲功率技术中，固态脉冲功率是研究热点之一。与传统脉冲功率源相比，固态调制器在脉冲参数调制、重复频率、变负载、维护以及成本方面有着不可取代的优势。固态调制器在加速器、电光开关、高功率激光以及雷达等军民领域有着巨大的应用前景。

常用模拟电路驱动方法在电流驱动控制的同时，电流的变化会产生热量引起温度的变化，激光器在温度和电流双重变化下工作，不能保证输出稳定性，充分利用sopc既有fpga高速并行处理的优点，又可以加载操作系统的特点，采用软硬件相结合的方法，用sopc作为控制系统对整体系统进行闭环控制，来完成驱动输出电流和稳定温度等，使系统更为灵活稳定，操作更为人性化。

技术实现要素：

针对以上问题，本实用新型提出一种基于sopc的半导体激光器驱动装置，包括sopc控制模块、flash配置模块、sd卡模块、ddr3缓存模块、调制电压源输入模块、恒流驱动电路、恒温控制模块、数据采集模块、数模转换模块、系统电源模块等、时钟模块。

所述sopc控制模块，采用xilinx公司的xc7z020-2clg484i系列高性能zynq7020。

所述flash配置模块，采用winbond公司，型号为w25q256，存储大小为256mb的qspiflash，用于存储编程数据，启动配置芯片，连接在sopc的bank500口上。

所述ddr3缓存模块，采用两颗型号为mt41j256m16ha-125，单颗容量为4gb，总线宽度为32bit的ddr3作为外部存储器，其最高的运行速度可达533mhz（数据率1066mbps）。直接连接在中央处理ps端的高速接口处。并且充分考虑到电阻/电容和走线造成的阻抗，实现走线等长控制，实现ddr3的高速稳定工作。

所述sd卡模块采用，采用micro型的sd卡槽，一片电平转换芯片txs02612，实现存储中央处理器的boot程序、linux操作系统内核、文件系统及用户文件。

所述时钟模块，采用一块50mhz和一块33.333mhz时钟源，分别连接在中央处理器的pl和ps端，为外接接口提供额外的时钟源。

所述调制电压源输入模块由dds芯片ad9854、积分电路和加法电路构成。dds芯片选用adi（亚德诺半导体技术有限公司）的直接数字频率合成芯片ad9854。其具有48位的频率分辨率，允许的最大时钟信号为300mhz。dds芯片与sopc相连，sopc控制dds输出方波调制信号，输入积分电路，转换为三角波调制信号，输入加法电路。加法电路一端连接于dac，dac输入直流信号，经过加法电路后信号输入至恒流电路。

所述数据采集模块，选用16位串行双通道ad芯片ad7705分别对恒温及恒流系统的反馈电压进行采集。芯片内部设置了自校准和系统校准模式，能够消除其本身带来的误差。芯片内部包含低通滤波器，能够消除模数转换工作中产生的噪声。芯片din端口与sopc控制串行数据输入端连接，dout端口与串行数据输出转换连接。

所述数模转换模块，选用16位串行单通道ad5541芯片进行数模转换，将经过pid模块处理后得到的数字信号转换为需要的模拟电压信号作为模拟电路的输入。ad5541是单电源供电，工作电压2.7v~5v；具有失调误差小功耗的特性，直接连接于sopc芯片。

所述恒温控制模块，采用美信半导体（maxim）公司，型号为max1978的温控芯片。引脚fb-连接于da，sopc控制da输出电压作为设定温度电压，fb+引脚温度传感器，测得激光器温度电压。

所述电源模块，采用4组dc/dc电源模块，将外部输入的+5vdc转换成+3.3v，+1.5v，+1.8v，+1.0v四路电源。分别给sopc、dds、flash以及sd卡提供电压，一组ti的tps51200，将1.5v电压转换为ddr3需要的vtt和vref电压。在电路板的设计的过程中综合考虑到中央处理器的上电顺序要求，单独预留了电源层和gnd层，保证整个板子稳定性。

本装置的工作流程为：首先通过sopc控制dds模块，dac模块输出调谐电压和偏置电压，经过加法电路后作为恒流源的输入电压，最终输出调谐电流信号驱动半导体激光器。

恒温/恒流控制的流程为：sopc初始化后控制da模块输出信号，分别给恒流源模块以及温控模块，然后sopc控制ad模块采集温控恒流模块的反馈信号，与输入值比较后将偏差输入到数字pid控制器，最终经处理后的输出信号da控制输入模块，重新进入循环，从而控制温度和电流的稳定。

本实用新型至少具有如下技术效果或优点：

1、采用sopc技术实现，与单片机相比，提供了充足的外设接口；高速并行处理满足高精度pid同时控制温度和电流大小的资源条件；设备的外部接口均是模块化设计，可在linux操作系统中进行接口的开启和关闭，避免由于设备资源的浪费；

2、设备采用linux操作系统+fpga硬件开发平台相结合，提升了硬件系统的可移植性、便捷性；利用linux操作系统，方便后续系统的整体升级；

3、满足后续开发，有益于高精度多路同步激光器触发控制系统。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1为本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的恒流驱动电路示意图；

图3为本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的调制电压电路原理图；

图4为本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的恒温控制模块工作示意图；

图5为本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的sopc控制模块示意图；

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、特征和优点更加清晰，下面结合附图和具体实施方案对本实用新型进一步的详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考附图1，该图给出了本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的整体结构示意图。包括sopc控制模块（sopc控制模块中主要使用数字pid控制器）、flash配置模块、sd卡模块、ddr3缓存模块、调制电压源输入模块、恒流驱动电路、恒温控制模块、数据采集模块、数模转换模块、系统电源模块等、时钟模块。

所述sopc控制模块，采用xilinx公司的xc7z020-2clg484i系列高性能zynq7020。

所述flash配置模块，采用winbond公司，型号为w25q256，存储大小为256mb的qspiflash，用于存储编程数据，启动配置芯片，连接在sopc的bank500口上。

所述ddr3缓存模块，采用两颗型号为mt41j256m16ha-125，单颗容量为4gb，总线宽度为32bit的ddr3作为外部存储器，其最高的运行速度可达533mhz（数据率1066mbps）。直接连接在中央处理ps端的高速接口处。并且充分考虑到电阻/电容和走线造成的阻抗，实现走线等长控制，实现ddr3的高速稳定工作。

所述sd卡模块采用，采用micro型的sd卡槽，一片电平转换芯片txs02612，实现存储中央处理器的boot程序、linux操作系统内核、文件系统及用户文件。

所述时钟模块，采用一块50mhz和一块33.333mhz时钟源，分别连接在中央处理器的pl和ps端，为外接接口提供额外的时钟源。

所述调制电压源输入模块由dds芯片ad9854、积分电路和加法电路构成。dds芯片选用adi（亚德诺半导体技术有限公司）的直接数字频率合成芯片ad9854。其具有48位的频率分辨率，允许的最大时钟信号为300mhz。dds芯片与sopc相连，sopc控制dds输出方波调制信号，输入积分电路，转换为三角波调制信号，输入加法电路。加法电路一端连接于dac，dac输入直流信号，经过加法电路后信号输入至恒流电路。

所述数据采集模块，选用16位串行双通道ad芯片ad7705分别对恒温及恒流系统的反馈电压进行采集。芯片内部设置了自校准和系统校准模式，能够消除其本身带来的误差。芯片内部包含低通滤波器，能够消除模数转换工作中产生的噪声。芯片din端口与sopc控制串行数据输入端连接，dout端口与串行数据输出转换连接。

所述数模转换模块，选用16位串行单通道ad5541芯片进行数模转换，将经过pid模块处理后得到的数字信号转换为需要的模拟电压信号作为模拟电路的输入。ad5541是单电源供电，工作电压2.7v~5v；具有失调误差小功耗的特性，直接连接于sopc芯片。

所述恒温控制模块，采用美信半导体（maxim）公司，型号为max1978的温控芯片。引脚fb-连接于da，sopc控制da输出电压作为设定温度电压，fb+引脚温度传感器，测得激光器温度电压。

所述电源模块，采用4组dc/dc电源模块，将外部输入的+5vdc转换成+3.3v，+1.5v，+1.8v，+1.0v四路电源。分别给sopc、dds、flash以及sd卡提供电压，一组ti的tps51200，将1.5v电压转换为ddr3需要的vtt和vref电压。在电路板的设计的过程中综合考虑到中央处理器的上电顺序要求，单独预留了电源层和gnd层，保证整个板子稳定性。

参考附图2，该图给出了本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的恒流驱动电路示意图。主要包括设置输入电压模块、保护电路模块以及恒流输出电路模块。设置输入电压模块为恒流源提供稳定的控制电压信号输入，主要是通过选择合适的数模转换芯片配合适当的驱动电路设置输入电压的大小值。

sopc控制输出设置输入电压信号，作为运放的正极输入电压信号，再通过电流负反馈电路调整输出稳定电流。通过sopc控制dac模块dac输出电压值信号，经缓冲电路后作为运放同相输入端的输入信号。的输出电压可以控制mos管的导通程度大小并以此获得输出电流的大小。mos管处输出的电流信号经过采样电阻r转化为电压信号，经过反馈网络的放大作用后接入运算放大器的反向输入端。该反馈电压与运放的同相输入端的设置电压比较，对放大器的输出电压进行调整。运放的输出电压进一步调整mos管的电流输出，形成一个动态平衡的闭环反馈系统。

同时为了提高稳定输出，采用模拟闭环负反馈电路与sopc控制的数字pid闭环控制相结合的方式。sopc控制驱动ad模块采集反馈电压转化为数字信号，通过数字pid的程序调整，从而控制da模块的输出电压。

参考附图3，该图给出了本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的调制电压电路原理图。由模数转换模块dac输出的直流偏置电压信号经过跟随器隔离输出到加法电路的一端；另外经dds模块输出方波信号经积分电路转化为三角波信号输出给加法电路的另一端，经过隔离后的直流和交流信号分别为u1、u2，经过运放a3构成的加法电路实现信号的叠加:

设计过程中取r4=r5=r8=r6=1kω，r8=500ω，可得到即为恒流电路模块的调谐输入电压，是直流电压偏置和交流电压输出信号的直接叠加。

参考附图3，该图给出了本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的恒温控制模块工作示意图，热敏电阻，制冷器tec，激光二极管都是激光器内部器件，首先通过外部温度电压测量电路测量热敏电阻的电压值，反应其阻值的大小从而表征现有的温度大小。通过差分放大器电路将控制设定温度对应的电压值与测得的热敏电阻压降之间的差值信号进行放大。然后该差值放大信号经过pid控制电路后输出控制信号驱动后续的h桥电路模块输出，从而控制制冷器tec制热制冷的正常工作。制冷器tec工作后能够改变激光器内部温度，通过热敏电阻反映实时温度变化后改变制冷器控制，最终形成了一个完整的闭环反馈控制，使得激光内部温度趋于稳定。

在温控环路控制的过程中，影响温度稳定精度的因素主要有tec器件的工作效率，热敏电阻的灵敏度，以及控制温度稳定值的电压的精度。热敏电阻以及制冷器tec都是dfb激光器内部封装的，实际设计过程中可以控制的是设定温度稳定值的控制电压的精度，还有对pid控制输出的优化，从而提高温度的稳定精度。

参考附图4，该图给出了本实用新型一种基于sopc的半导体激光器驱动装置的sopc控制模块工作示意图。sopc在激光器驱动系统上电工作后后首先完成对各模块的初始化，根据控制目标的要求完成对数模转换da模块的设置。然后，sopc驱动模数转换ad模块采集电流/温度模块的输出电压值并转化为数字信号，与dac设置值进行对比。根据偏差值计算看是否达到目标后，进行pid算法处理，其结果重新对dac值。

sopc控制模块中主要使用数字pid控制器，pid控制其优点比较多，设计简单，适应性强，具有很好的鲁棒性等。

完整的pid算法表达式为：

推导得位置型pid控制算法，其中为比例增益，积分系数。位置型

pid控制中，输出偏差e(k)不停地累加，每次输出状态都与都与过去的状态有关，占用较多内存的同时不利于控制。对位置型pid算法进一步控制可以得出:

整理后得：

其中，

为实现恒温控制，对传统数字pid进行改进，引入积分分离pid算法，在偏差大的时候取消积分项的作用将其置为零；在偏差较小时候再引入积分项。这样，可以在保持积分项作用的同时减小超调量保持系统稳定，改善系统性能。即设置阈值ε，当偏差量小于设置的阈值ε时使用pid控制，当偏差量大于设置的阈值ε时，积分项为零，使用pd控制器。

ad采集完成后将数据与设置数据比较后经过pid模块的处理输出数据再作为da模块的输入数据，依次循环。

数字pid算法工作中，主要是要确定参数、、参数值，在实际试验中，通过对比例、积分、微分的参数的调试结果，最终得到满意的控制效果。主要调试步骤：先调节比例系数，其他参数不变，观察响应效果；当比例参数改变不能消除系统稳态误差，则开始调节积分参数；完成消除系统稳态误差目的后，开始调节微分参数，从而调节系统的响应速度及超调量。经过试验不断优化，最终选取合适的参数组合。