毕业设计（论文）_基于串行总线下智能激光电源控制系统设计

1、基于串行总线下智能固体脉冲激光电源控制系统研究摘要激光由于具有单色性、相干性、方向性好以及能量密度高等特点，已经广泛地应用于国防、医疗和机械加工等各个领域。研究稳定性好、可靠性和智能化水平高的激光控制系统显得尤为重要，并且具有广阔的应用前景。论文详细介绍了固体脉冲激光电源系统的特点、组成，对固体脉冲激光电源的充电回路和调Q电路工作原理进行了深入分析，重点介绍了充电电路中PWM移相控制全桥变换器的根本工作原理及控制方式。课题选用单片机，采用模块化设计方案，设计了固体脉冲激光电源的控制系统，同时利用串口技术实现整个系统与单片机的串行连接，较好地实现了各器件间、器件与主机间以及多主机间的信息交换和相

2、互通信，并给出了基于单片机控制的软件流程图。关键词: PWM移相调制 串行总线 调Q 单片机 Study of the intelligent solid pulsed laser power source control system based on serial busAbstract Because of Laser monochrome，coherence，good direction and high energy density, Laser has been widely applied to defense，medical and machining，etc fields.

3、Studying on laser control system on Laser stability，reliability and intelligent is particularly important and has a bright future.This paper introduces the characteristics of the solid pulsed laser，components and the charging circuit of the solid-state pulsed power and the principle of Q-switched ci

4、rcuit theory. It is illuminated mainly on the basic principle of the charging full-bridge phase-shift circuit PWM converter and methods. It is designed a control system of intelligent solid-state laser power supply based on serial bus. The system is supplied by PCI16F877 single chip microcomputer, h

5、ow to use the serial bus to connect the entire system and the MCU，the communication between the hosts and the devices of hosts, in the end, it is given the design of the program and the principle according to the flowchart.Keywords: phase-shift PWM modulation; Serial bus; Q-switched; MCU目录第一章 绪论 1 1

6、.1前言 1 1.2 固体脉冲激光器电源系统的组成 1 3 1.4 论文的研究内容 3第二章 固体脉冲激光器电源系统 5 能5 护5 2.3 脉冲泵浦灯的触发与氙灯预燃系统的设计10 2.4 激光调Q电路的组成12第三章 PIC 单片机组成及其应用介绍 16 3.1 PIC 引言 16 3.2 PIC16F877单片机的组成 16 3.3 PIC12C672单片机的组成 18第四章 串行总线下激光电源系统的单片机控制 20 20 4.2 控制系统的硬件设计21 4.3 系统控制软件设计32第五章 结论与展望34 5.1 结论33 5.2 前景与展望33参考文献 35第一章 绪论1. 1前言激光

7、是一种光频电磁波，具有很高的频率(10131015HZ)和良好的相干性，可以用来作为理想的信息传递载体，自其问世以来在通信和图像文字的传输与处理中得到广泛的应用1。同时其又具有高亮度、良好的单色性和方向性等特点，使激光的应用已普及工业、军事、医药和科学研究等诸多领域;尤其是自60年代迈曼(Mailman)创造世界上第一台红宝石固体脉冲激光器以来，人们就开始不断地探索可以改善固体激光器性能的可调谐激光介质和调谐技术，使得固体激光器得到了飞速的开展。随着计算机和微电子技术的提高，PWM脉宽调制技术的成熟、调Q技术和软开关技术的使用，能量大、峰值功率高、结构紧凑、使用方便的中小功率的固体激光器的应用

8、范围将继续扩展，应用前景更加广阔2。中小型固体激光器的工作物质主要是掺杂的晶体或玻璃如:Cr3+:Al2O3，Nd3+:YAG和Ti3+:Al2O3等等，使用的鼓励大多是光泵鼓励，因而固体激光器常常是有工作物质、泵浦源、聚光腔、光学腔和光浦电源几局部组成，其中激光电源作为产生激光能量的电泵浦源，是激光器最重要的技术设备之一，是决定激光器整体性能的重要因素，有时甚至直接决定整个激光器的性能和质量指标。1.2 固体脉冲激光器电源系统的组成 在固体激光器的工作物质中，粒子数的反转一般都是通过电光泵的抽运来实现，因而在这些激光器中常采用由气体放电灯放电来形成高亮度辐射源。目前最常用的泵浦电源是电光源，

9、它一方面向激光器提供泵浦能量，另一方面控制激光输出的强弱和重复频率。固体激光器泵浦电源常采用脉冲供电和连续供电两种形式，早期的脉冲激光电源大多采用工频交流变压器进行升压，并实现对电网的隔离，此种方式往往造成整机的体积极为庞大，变压器产生的高次谐波对电网的冲击也较为明显。进入上个世纪六、七年代，随着微电子技术和集成电路技术的飞速开展，大量新型电子器件如功率器件IGBT等的纷纷问世，推动电力电子技术的开展，使得PWM技术日趋成熟3。人们开始研制开关型电源，它是将工频交流直接变成直流，再用开关功率变换方法，将直流逆变成中频交流，通过中频变压器进行升压，与电网隔离后进行整流给储能电容充电，最后经氙灯放

10、电后给激光器提供泵浦能量，与早期脉冲电源相比，开关型脉冲电源具有其无法比较的优点:1. 体积小，重量轻，伴随着开关逆变频率的提高，主变压器和电感的体积逐渐减小。2. 高效节能，利用开关电源，能有效地调整电路的功率因数，大量减少能量转换过程中的损失。3. 频率响应快，动态特性好。随着逆变频率的增高，开关电源对负载和供电变化的响应加快，控制更加精确、及时，激光束的质量得到提高。总之，通过开关电源技术的使用，可以提高整机的快速响应能力，激光输出的稳定性和使用的方便性。固体脉冲激光电源系统主要包括:电源变压和整流回路，储能电容的充电回路，储能电容对脉冲泵浦灯的放电回路，氙灯的触发和预燃回路，控制与调节

11、回路等几个局部，其系统结构框图如图1-1所示4。 图1-1 固体脉冲激光器电源原理框图其电路原理是:电源系统利用开关技术对大型储能电容进行充电，储存电能，当触发回路给氙灯提供一个触发高压脉冲时，灯管内气体被击穿，氙灯进入低阻状态。储能电路中积累储存的电能通过氙灯进行脉冲放电，储能放电电路的适当设计使放电脉冲具有所希望的波形。通过采用预燃技术，使得氙灯触发后，预燃电路给氙灯提供一个预燃电流，使氙灯维持小电流导通状态。减小触发高电压对电路的影响，脉冲放电主要依赖放电回路中的放电开关进行控制。控制回路作为系统的核心器件控制上述各个回路的正常、协调工作，并提供各种平安、保护功能。固体脉冲激光器泵浦灯每

12、次放电持续时间短，越几十微秒至几十毫秒，而其最大放电能量可达数千焦耳，放电脉冲功率甚至可达兆瓦。 目前尚无法用一个平均功率与之相当的电源系统直接供电，必须采用一定的储能元件在不放电时从低平均功率的电源充电电路中得到、积累所需的电能，再由储能元件将能量传递至氙灯，必要时利用调Q电路从而获得系统所需要的脉冲功率。总之，仅靠单一模块无法满足电源要求，必须使用多个模块分工协作方可实现。鉴于此控制电路的作用显得尤为突出，随着电子技术和计算机技术的开展，激光电源控制系统的自动化、智能化是其今后开展的主要方向。1.3单片机在激光电源中的应用目前产品中使用的激光电源主要采用高频开关技术，其特点主要表现为体积小

13、、效率高、功率集成度高，采用全硬件控制，电路较为复杂，自动化程度低。同时电源系统需要对激光泵浦频率，电源的工作状态进行控制，因此要求系统应该具备存储、运算、接口功能。采用软、硬件相结合，智能化控制是激光电源的开展方向，单片机是现代电子技术应用中的主流技术之一。在许多工业和民用的电子控制系统中，单片机由于具有较强的运算和数据处理能力，能提供多路O/I接口和中断向量，便于实现实时监测和控制。同时单片机由于体积小、本钱低易于设计成嵌入式控制系统，使其在系统中往往起着核心的作用。鉴于此，世界上各大芯片制造公司都推出了具有自主产权的各种类型的单片机，从8位、16位到32位应有尽有，其功能也都逐步趋于完善

14、，同时其自身的独特设计也使单片机自身的电源技术和抗干扰技术趋于成熟，不仅使单片机自身的应用前景更加广阔，同时也使大量控制系统的智能化设计成为可能。作为其诸多应用之一就是利用单片机实现激光电源控制系统的智能化设计，该控制电路模块的原理框图如图1-2所示4。图1-2 智能固体脉冲激光电源原理框图1.4 论文的研究内容如前所述激光电源作为决定整个激光器系统核心器件之一，随着微电子技术和计算机技术的开展，其控制逐步趋于自动化和智能化。但是就目前所广泛采用的控制方案中，电源系统的控制大多采用全硬件控制方式，电路比较复杂，自动化程度也较低，即使采用单片机进行控制也仅仅停留在对数据的处理、放电时间控制与显示

15、这一层次上，并且都是采用彼此孤立控制这一控制方式，没有形成网络，形成系统。有的控制系统虽然采用了上、下位机双向通信进行控制，所采用的方案也大多是单片机与PC机之间的通信，即往往利用PC机作为上位机-主机，单片机为下位机从机。这种通信方式上下位机之间不仅要遵循一定的协议，同时控制方式也较为复杂，控制本钱相对较高，程序的设计、控制方案的选择也比较困难。本课题主要是探讨利用选用Microchip公司生产的PIC系列单片机中的PIC16C877、PIC12C672型单片机和局部带有串行总线的器件构成控制系统，在电源内部采用单片机控制，而整个控制方案那么采用软硬件相结合的形式，通过串行通信接口和串行总线

16、技术实现控制系统各个组成部件之间的相互通信，从而实现对Nd3+:YAG固体激光器的触发、预燃、调Q、泵浦电路控制系统的多任务控制。第二章 固体脉冲激光器电源系统2.1激光电源系统的组成与各局部功能固体脉冲激光电源系统主要是由充电网络、放电回路、预燃回路、调Q回路以及逻辑控制回路几局部组成，其构成框图如图1-1所示。其中充电网络作为主电路，主要是利用大型储能电容完成对氙灯电离所需电能的储存，同时放电回路是为氙灯提供触发高压脉冲，使氙灯内气体被击穿形成电离，构成导电通道，形成放电脉冲，得到所需的脉冲波形。氙灯的每一次触发采用的都是高压脉冲触发方式，此种触发方式往往会造成电极溅射，使氙灯的寿命缩短。

17、同时氙灯触发高压脉冲也会对电子线路产生强烈的电磁干扰，击穿电压和电离通道受传导电流微小变化和灯的不规那么冷却的影响，往往使放电脉冲的幅度和宽度产生显著的抖动。为消除这些影响，预燃电路那么在灯的脉冲放电间隙期间保持低电流放电，实现预电离，从而消除上述高压脉冲触发所带来的负面影响。为提高单个脉冲峰值功率，系统中往往引入调Q电路，调Q电路主要是由晶体高压和高压电路组成，它是把能量以激活离子的形式存储在激光物质的高能态上，在Q开关翻开时，集中在极短的时间内释放出来，使激光的峰值功率提高几个数量级，调Q技术的出现是激光开展史上的一次重大突破。在本章中我们将分别讨论构成系统的这几局部的工作原理，并对其主要

18、实现电路作进一步讨论。2.2充电主电路工作原理及过电流保护2.2.1概述在固体脉冲激光电源系统中，由于激光器泵浦工作时放电时间短，放电功率大，目前大多数激光器的储能网络仍然采用电容作为储能元件。电容器充电至电压U0时，储存的电场能量为：其中E0为电容的存储能量J，C为电容电量F，U0为电容的端电压。在充电主回路中，当确定了激光器放电电能、放电电压后，可根据上式可以确定出储能电容的容量和耐压值。与其它储能元件相比较，电容在储存相同能量的情况下，体积和价格均比电感类元件小得多，在激光器电源系统中大多采用电容作为一种较为简单的储能器件，所谓电容库是指储能电容具有很大的电容值。激光器充电简单电路如图2

19、-1所示。储能元件电容由高压电源提供给定电压，在储能电容C和氙灯之间串接一个大功率开关元件如可控硅或IGBT绝缘栅型双极性晶体管，当IGBT关断时，高压电源向电容充电，并且充电到某一给定值，当IGBT开通时电容C向氙灯放电，系统通过控制IGBT的导通时的初始放电电压，那么可以到达设定单次脉冲放电能量。由于IGBT导通后管子的压降可以忽略，由电容C和氙灯电阻R组成的RC放电回路当C很大时，在的放电期间里，灯上电压视为不变，但电流下降较平缓，泵浦能量不集中，常在放电回路中参加电感构成放电仿真线回路。由于电容器上的电压不能突变。在充电的初始阶段UC=0，电容相当于短路，当电容上的电压充电接近于电源电

20、压时，电容器相当于开路。因此在整个充放电过程中电容器作为负载是一个急剧变化的参量，充电电路既要能限制储能网络的充电电流，又应该能按一定的频率向储能网络传送某一确定的能量2。 图2-1电容充放电原理图 充电电路是按一定的频率向储能网络传送能量，降低开关损耗和开关对电路的冲击是设计充电回路的一个根本出发点。目前所广泛使用的充电电路大多数是采用脉宽调制技术，即PWM调制技术。在传统的PWM开关电路中，开关器件是在高压下导通，大电流下关断，整个过程都是一种强迫开关过程，是以控制占空比的方式来实现功率调节。这种控制方式其优点主要表现在电路结构简单，控制方便，稳态电流增益与负载无关。同时其缺陷也十清楚显，

21、随着逆变频率的提高开关损耗也明显增加，进一步提高PWM开关频率往往受到开通、关断损耗增加的限制。电路中感性元件在开关器件关断时电流的变化量di/dt过大，同时二极管由导通变截止时存在恢复期，造成直流电源瞬间短路，产生巨大的冲击电流，这一切往往会造成开关器件两端产生尖峰电压，使器件易于被击穿。当电源工作在高频时，电路中寄生电容和杂散电感容易形成振荡，进而产生损耗，对周边电路产生电磁环境干扰。为了减小并消除这些影响，降低开关损耗，有必要对PWM技术进行改良。2.2.2移相ZVSPWM全桥变换器1.PWM全桥逆变器的工作状态PWM全桥逆变器有三种工作状态，与三种工作状态相对应，电路有三种切换方式，为

22、了更好地了解三种工作状态和切换方式，结合原理电路2-2对其作简要的分析6。图2-2 ZVSPWM全桥变换器根本结构电路由四只开关管QQ4，反向并联二极管D1D4，开关管并联或寄生电容C1C4，输出变压器Tr构成全桥逆变器和整流电路组成。+1状态在图2-2电路中，当Q1Q4同时导通时，加在A、B两点的电压为正的输入电压，即VAB=VIN，此时电路工作在+1状态。0状态在图2-2电路中Q1D1和Q3同时导通，或者Q3D3和Q4D4同时导通，A、B两点的电位相等，VAB=0=0VIN，电路工作在0状态。-1状态Q3和Q4同时导通，那么VAB=-VIN，电路工作在-1状态。2.ZVSPWM全桥逆变器的

23、控制方式根据开关管的导通和关断方式，全桥逆变器有三种控制方式，分别为：双极性控制方式、有限双极性控制方式和移相控制方式7。双极性控制方式是指在图2-2中，Q1Q4和Q2Q3分别为一组同时导通或者同时截止的隔离开关管，两组开关管以PWM控制方式鼓励并交替通断，将直流输入电压VIN变换成高频方波交流电压。当其中的一组开关管导通时，另一组管子上的电压为输入电压；当四个管子同时截止时，各个管子上的电压均为输入电压。有限双极性控制方式是让桥臂的两个管子如Q1或Q2为PWM工作方式，另一个桥臂的Q3和Q4轮流导通，每组管子的导通时间相同。移相控制方式是利用Q1和Q3，Q2和Q4轮流导通，但Q1和Q4，Q2

24、和Q3不同时导通，假设Q1先导通，那么Q4后导通，两者在导通的时间上相差相位，对于Q2和Q3同样如此。通常称Q1和Q2组成的桥臂为超前桥臂，Q3和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。实用移相PWM全桥变换器可以做到在开关开通前使开关的电压下降到零，使开关管具有软开关功能。软开关技术是利用电感和电容对开关的开关轨迹进行整形，提高变换器的工作效率，减小开关应力。2.2.3 移相ZVSPWM全桥变换器的工作原理移相ZVSPWM全桥变换器利用图2-2电路所示变压器漏感或者串接在原边电感和开关管的寄生电容或者外接电容来实现零电压开关。其原理电路如图2-2所示，各个时刻的主要波形如图2-3所示，每个桥臂的两个开关管

25、成1800互补导通，电桥两个桥臂的导通角相差一个角相位，即移相角，电路通过调节移相角的大小来实现对输出电压的调节与控制7。1.t1时刻 t1时刻之前，Q1和Q4同时导通，VAB=+VIN，电路经过Q1和Q4给电容C1充电，当充电电压到达电源电压VIN时t1时刻Q1关断，流过变压器电感的电流开始对Q1的寄生电容C1充电，同时C3放电，变压器的电流从Q1中转移到C3和C1支路中，由于有C3和C1的存在，Q1的关断是一个零电压关断。在此时段内可以视变压器的原边电流近似不变，类似一个恒流源。2.t2时刻 在此时刻，C2的电压下降至零，反接在Q2两端的二极管D2自然导通，此时开通Q2，Q2是在零电压状态

26、下导通，电流仍流经D2，Q2中并无电流流过。Q2是在D2开通的情况下导通，此时VAB=0。电路的切换是+1/0切换。Q1和Q2两个开关管的驱动脉冲延迟时间td12可以由单片机控制输出驱动信号的死区时间进行调整。3.t3时刻Q4关断，Q2导通，原边电流又C2和C4共同提供，原边电流不仅抽走电容C3上的电荷，同时又给C4充电，同样由于C3和C4的存在使得Q4的关断是在零电压状态下实现关断。由以上的分析可知，当超前桥臂Q1Q2关断时，由于滤波电感和漏电感是串接在电路中，原边电流根本保持不便，是一个恒流源。因此超前桥臂容易实现零电压开关，同时也只能实现零电压开关，不能形成零电流关断。4.t4时刻 在此

27、时刻Q3和Q2导通，当C4上的电压上升至VIN时，先D3自然导通，然后开通Q3，因此Q3也是零电压开通。虽然Q3此时已经自然开通，但是电流并流经Q3，仍然从D3流过，Q3和Q4驱动信号之间存在死区时间，此时间仍然由单片机输出脉冲延迟进行调整。5.t5时刻在这一时刻，Q3导通Q2关断，Q1的寄生电容C1充电，当电容两端的电压被充电到电源电压时，Q2关断，此后变压器原边电流开始对Q2的寄生电容C2充电。与此同时电容C1两端的电压下降，这一过程将一直持续到Q1上的反接二极管D1导通。该过程开关的切换方式是-1/0切换。图2-3 主电路工作波形6.t6时刻 Q1和Q3导通，在D1导通后开通Q1，同理Q

28、1也是零电压导通。7.t7时刻 此一时刻Q1导通Q3关断，Q2的寄生电容C2开始充电，Q4的寄生电容C4开始放电。当Q4两端的电压到达0V后，Q4从零电压开始导通，从而实现无损耗开通。开关在此时刻实现的切换是0/+1状态切换。t8时刻的状态与t1时刻相同，此后电路那么重复t1t7时刻的状态。 总之，利用移相PWM控制方式是通过改变电路中两桥臂对角场效应管驱动信号的移相角大小来调节输出电压，使得整个电路的切换状态处于零电压切换，开关管处于软工作状态，开关的损耗小，开关频率得到提高。2.2.4调制脉冲的输出与过电流保护固体脉冲激光器的泵浦过程对电路的冲击很大，逆变电路频率的变化、波动同样也会使得充

29、电电压产生不稳定，特别是放电回路中的电流脉冲峰值较高，如不对其进行限制往往很容易造成IGBT的损坏。为确保系统稳定可靠运行，在以PIC16F877单片机作为主控芯片的激光电源系统中(如图2-4所示)，可以采用MAX813L作为电压的监控，由霍尔元件、电流传感器检测负载氙灯两端的电压电流值，检测结果送到单片机PIC16F877的2、3端(RA0/AN0、RA1/AN1)，由设计软件对传送来得采样值进行比较。当采样值高于系统设定的参考电压电流时，由PIC16F877的6、7端(RA4，RA5)输出过流过压控制信号，并经逻辑或门74LS32与IGBT的驱动管IR2110的封锁端SD相连接，当发生过流

30、过压时控制信号对驱动IR2110进行封锁，及时有效地切断PWM输出，实现驱动信号的真正关闭，保障IGBT的平安。图2-4 电容充电主控电路示意图2.3 脉冲泵浦灯的触发与氙灯预燃系统的设计2.3.1 脉冲泵浦灯的触发一个正常运转的脉冲氙灯，工作电压均应小于自闪电压。因此，当上述电源系统给储能电容充电到工作电压时，氙灯不会自行放电和闪光，它根本上处于开路状态。要使氙灯受控放电和闪光，就必须配置一套专门的触发系统。即储能电容对脉冲氙灯的放电通常由一个高压触发脉冲引发，触发脉冲的作用是在两极间建立电离火花通道，从而导致主放电的发生。脉冲氙灯的触发方式有外触发，内触发2。内触发是将脉冲直接加在灯电极上

31、而使灯内气体电离。内触发电路如图2-5 所示，它利用脉冲变压器B产生的脉冲高压触发氙灯。触发电路所用电源V1一般为几百伏，电容C1为 110uF。当电容C1充电到V1后即给出控制信号导通可控硅，C1通过变压器B的初级线圈放电，次级线圈便感应出上万伏的高压脉冲，使灯内气体电离形成通道，此时储能电容C放电由于放电电流很大使变压器饱和，它相当于串联在放电回路中的小电感。图2-5内触发电路原理图外触发是高压脉冲不直接加在灯电极上的触发方式。如图 2-6 所示，这种触发方式的高压脉冲可以加在缠绕在灯管外壁的镍鉻丝上或其他电位参考面上。触发电压在 5kV10kV 之间。一般认为以负极性触发脉冲为好，它使激

32、光器获得稳定的输出。图2-6 外触发电路原理图上述两种触发方式共同的缺点是每当氙灯点燃一次，均需一个高压触发脉冲。因而造成电极溅射，大大缩短灯的寿命。其次触发脉冲电压非常高，对电子线路产生强的电磁干扰。再次，击穿电压和电离通道受到传导电流微小变化和不规那么冷却的影响，放电脉冲的幅度和宽度产生显著的抖动。为了克服以上缺点，现普遍采用“预燃技术。2.3.2 脉冲泵浦灯的预燃当氙灯采用触发方式电离后，预燃所需的直流高压经过限流电阻维持灯的小电流辉光放电为保证贮能网络正常充电在氙灯与贮能网络之间加一个放电开关。放电开关截止时，预燃氙灯与贮能网络隔离，贮能网络充电；当放电开关翻开时，贮能网络对氙灯放电触

33、发脉冲仅在预燃状态建立的初始时刻起作用，预燃状态一旦建立，触发电路退出工作，重复使脉冲氙灯进入弧光放电状态，完全靠充、放电电路交替工作实现采用预燃工作方式防止了触发重复工作的弊病，灯寿命延长，放电脉冲稳定，减少了电磁干扰，泵浦效率提高，在重复率较高的脉冲激光电源中广泛采用。预燃触发使灯在脉冲的间隙期间保持低电流放电，采用与主电源并联的低电流直流电源，便可以实现预电离。腔体经过一次触发后，在灯电极上再加一个几百伏的辅助电源V2，以长时间维持灯的小电流辉光放电，其电流一般为几十毫安。这样重复工作时无需再行触发，只需翻开放电开关即可，因此仅仅需要消耗一局部功率。2.4 激光调Q电路的组成目前广为采用

34、的激光脉冲主要有普通脉冲和调Q脉冲两种形式，其中普通脉冲固体激光器输出的脉冲是由许多振幅、脉宽和间隔做随机变化的尖峰脉冲组成，如图2-7所示，每个尖峰的宽度约为0.1-1S，间隔为数微秒。故此普通脉冲固体激光器输出的脉冲并非是一个平滑的光脉冲，这种现象被称为激光器的驰豫振荡。产生这种振荡的主要原因是由于当激光器的工作介质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，那么产生激光振荡，使谐振腔内的光子数密度增加，呈雪崩现象发射激光；随着激光的发射，上能级粒子数被大量地消耗，粒子数反转程度下降并低于阈值水平振荡停止，这一过程不断反复直到泵浦过程停止。而这样由于每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生，因此脉冲的

35、峰值功率较低，光输出形成的尖峰脉冲序列，泵浦能量的增加值仅能使尖峰的脉冲个数增加，尖峰序列时间分布更宽，无助于激光峰值功率的提高。激光调Q其实就是调节其品质因数，通常激光技术中品质因数Q定义为3：其中0为激光的中心频率。图2-7普通激光脉冲尖峰脉冲序列调Q技术就是要使驰豫振荡受到抑制，而把激光能量压缩在宽度极窄的脉冲中发射，让全部的激光能量压缩在一个很窄脉冲的时间里释放出来，从而使光源的峰值功率提高几个数量级。具体就是通过某种调制方式，使腔内的Q值随时间按一定的程序变化。在泵浦开始时使腔内处于低Q值状态，亦即提高振荡阈值，使振荡不能形成，完成上能级的反转粒子的大量积累，当积累到最大值饱和值时突

36、然使腔内的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速 立起来，在极短的时间内使上能级的反转粒子数被消耗，并 图2-8 调Q脉冲建立过程示意图转变为腔内能量，从谐振腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，即可获得峰值功率很高的巨脉冲，巨脉冲的具体建立过程如图2-8所示。在调Q技术中，有关谐振腔内的能量损耗主要包含以下几个局部：反射损耗1，衍射损耗2，散射损耗3，吸收损耗4，以及输出损耗5等，具体腔内总损耗可以表示为3：=1+2+3+4+5在调Q技术中，依据能量损耗的不同形式，可以用不同的调制方式来控制不同的能量损耗，这样就形成了不同的调Q技术。目前较为广泛采用的有电光调Q，声光调Q和饱和染料调Q技术几种形式。其

37、中声光调Q主要是采用把声光Q开关有声光介质、声-电换能器、吸声材料和驱动电源几局部组成置于谐振腔内，其结构如图2-9所示，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中，使折射率发生变化，当光束通过声光介质时，产生衍射，衍射光发生偏离，而偏离的角度可以使光波偏离出腔外，造成谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，亦即Q开关将激光“关断。而当高频信号作用突然停止，那么在声光介质中的超声场消失，谐振腔突然变成高Q值状态，相当于Q开关“翻开，这样Q值交替变化一次，就可以使激光器输出一个调Q脉冲。图2-9声光调Q激光示意图目前使用最为广泛的电光调Q技术那么是利用电光晶体在外电

38、场的作用下，使入射偏振光的振动方向发生变化这一物理现象，人为地参加可控的等效反射损耗的方法，其具体工作原理如图2-10所示。工作介质YAG在氙灯的光浦下发射自然光通过偏振棱镜后变成沿方图2-10 电光晶体Q开关激光原理图向的线偏振光，当调制晶体上未加高压时，光沿着传输线方向通过晶体，其偏振状态不发生变化，经反射镜反射后，再一次无变化地通过调制晶体和偏振棱镜此时相当于电光Q开关处于“翻开状态。如果人为地在调制晶体上施加一定的控制电压，由于晶体的纵向电光效应，当沿方向的线偏振光通过晶体后，产生了相位差，且线偏振光在腔内往返一次总共积累了相位差，经合成后那么可以得到沿方向振动的线偏振光，也就是相当于

39、入射光旋转了900，此时偏振光那么不能通过偏振棱镜，电光Q开关处于“关闭状态。在氙灯刚刚开始点燃时，人为事先在调制晶体上施加一定的控制电压，使谐振腔处于“关闭的低Q值状态，阻断激光振荡的产生。而待激光上能级的反转粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的控制电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，输出高能量的巨脉冲，故此，电光调Q的实质就是要精确地控制Q开关“翻开的延迟时间。目前通常采用的电光调Q电路一般都是由晶体高压电路和退高压电路组成，其工作原理如图2-11所示。晶体高压主要是用来使调制晶体产生纵向光电效应，要求具体实际电路能够产生的电压稳定、可调。由于施加于晶体的电压较高并且

40、可调，在具体应用中可以采用直流逆变电路形式，通过对逆变控制信号的频率和脉宽的调节，那么可以得到可调稳定的直流电压。退高压同步信号亦即调Q同步信号，主要由放电控制电路提供，通常以放电控制信号的上升沿或者下降沿为起点，经过一定的处理后，由脉冲变压器触发退高压开关，使施加在晶体上的高压消失，从而让激光器输出巨脉冲3。调Q同步脉冲由于不同的激光物质的差异，在实际应用中针对不同的要求，调节、确定调Q同步脉冲的延迟时间，使谐振激光腔内的粒子数积累到最大值，并且最终让激光器输出理想的巨脉冲811。图2-11 电光调Q电路原理图第三章 PIC 单片机组成及其应用介绍3.1 PIC引言利用单片机对过程进行控制是

41、目前控制领域研究的一个热点之一，利用单片机对激光电源系统进行控制是一种新的尝试，与采用纯硬件进行控制相比具有本钱低、控制电路简单等优点。而当前利用单片机实现对激光电源的控制主要是停留在对充电主电路充电电压的检测与控制，对其他局部的监测与控制涉及的较少；同时所使用单片机的种类虽然多种多样，但大多都采用MCS-51系列及其兼容的单片机机型作为其智能控制核心器件，其原因在于该系列单片机引进历史最长，目前在国内应用面较广并且参考资料也相对齐全、丰富。但在微控制器(Microcontroller)应用领域日益广泛的今天，各个领域的应用都对微控制器提出了更高要求，希望所使用的微处理器速度更快、功耗更低、体

42、积更小、价格更廉并且组成系统时所需要的外围器件更少。MCS-51系列单片机作为控制器件虽然具有自身独特的优势，同时缺陷也比较明显，在目前众多的五彩缤纷的微控制器中，美国Microchip技术公司的PIC系列微控制器那么异军突起。它率先推出采用精简指令集计算机(RISC-Reduced Instruction Set Computer)、哈佛(Harvard)双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。其具有高速度每条指令最快可达160ns、低工作电压最低工作电压可为3V、低功耗(3V，32kHz时15A)、较大的输入输出直接驱动LED能

43、力(灌电流可达25mA)、一次性编程(OTP-One Time Programmable)并且体积小、指令简单易学易用(35-37条指令)等诸多优点，而这一切都表达了微控制器工业开展的新趋势。目前PIC微控制器的应用已经涉及到从办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域，人们生活的各个角落。同时PIC系列微控制器在世界微控制器市场份额排名中逐年上升，以至于PIC系列微处理器已经成为一种新的8位微控制器的世界标准和最有影响力的主流嵌入式控制器14。3.2 PIC16F877单片机的组成PIC16F877单片机是具有40引脚的8位CMOS FLAS

44、H的单片机，在本设计中主要作为主控制机上位机来使用，其主要引脚如图3-1所示。图3-1 PIC16F877引脚图该型号单片机，其核心是具有高性能的RISC CPU，8K×14个FLASH程序存储器，368×8个数据存储器RAM字节，256×8EEPROM数据存储器字节，所有存储器均具有低功耗、高速CNOS FLASH/EEPCOM工艺。单片机的汇编指令有33条单字节指令，在这些指令中间除了程序分支指令为两个周期以外，其余指令均为单字节指令，其执行速度中选择DC0-20MHZ时钟输入时，即为0-400ns指令周期，在本设计中为统一所用单片机的匹配，选择时钟频率为4M

45、HZ，执行一条单字节指令所需的机器周期为1S。该型号的单片机其指令系统具有直接、间接和相对寻址能力，由于系统所带的中断源多达14个，而硬件堆栈深度可以到达8级，因此系统具有很强的中断处理能力，这样可以对多个过程进行实时的检测与控制。PIC16F877单片机共有5个独立编程的输入/输出端口简称I/O口，这些端口之间在内部结构上存在着较大的差异，有些端口仅仅能作为一般的输入/输出端口来使用，而有些端口那么具有复用功能，除了具有一般的输入/输出功能外，还具有许多特殊功能。单片机提供的I/O引脚既有串行口，同时也有并行接口，特别是这些并行接口都具有很强的驱动能力，每个I/O引脚可以提供25mA的灌电流

46、和20mA的拉电流，这样的驱动能力可以用来驱动LED，在输出、显示电路中不需要像使用其他单片机那样再增加驱动芯片，所有这一切给该型号的单片机的应用提供了诸多方便。PIC16F877单片机外围配置了3个预分频的定时/计数器，分别为定时器0、定时器1和定时器2，和两个捕捉/比较器和PWM模块CCP模块；三个定时器不仅位数不同，其功能也有所差异，其中定时器0主要用于通用的定时/计数目的，定时器1主要用于与CCP模块配合使用来实现输入捕捉或输出比较功能，而对于定时器2其与CCP模块配合使用可以用来实现PWM脉冲宽度调制信号的产生。所有这些功能不仅使得用户对控制过程实施定时检测与实时处理更加方便与快捷，

47、同时还可以实现一些特殊的控制功能。由于单片机只能处理数字信号，在一般的单片机系统中，通常使用专用的A/D采集芯片实现对模拟电压或者电流信号的采集，而通过单片机的计数器输入端口对数字信号进行监控。对于PIC16F877型单片机对于模拟信号的采集主要是利用自身所带的片上8通道的10位A/D模块实现对输入信号的采集。除了以上诸多特点外，该型号的单片机还采用独特的低功耗、全静态设计，使具有很宽的工作电压范围和温度范围，在5V、4MHZ时其工作电流小于2mA，而在睡眠方式下的典型值甚至小于1A。3.3 PIC12C672单片机的组成PIC12C672型号单片机是一个带4路8bitA/D转换器的，仅仅8个

48、引脚的高性能CMOS 8位单片机，在本设计中主要是作为具体的执行机下位机来使用，其具体的引脚如图3-2所示。图3-2 PIC12C672引脚图该型号单片机的指令系统是具有仅35条精简指令的系统，所有指令均为单周期，系统具有直接、间接或者相对寻址方式。片内含128×8数据存储器RAM，一百万次可反复擦写的1kB字节只读程序存储器(EEPROM)，14位宽指令字节和8位次宽数据通道。8层硬件堆栈，看门狗WDT电路，可编程内部时钟振荡源，省电模式及睡眠唤醒功能，内部包含微上拉I/O口，可选择片内、片外RC振荡器或晶体振荡器，工作频率DC-10MHz。PIC12C672型号单片机除了具有上述

49、主要特点外，还具有低功耗高速CMOS EPROM/EEPROM技术，宽工作电压范围，只有8个引脚，5个双向的I/O接口，3个中断输入脚，以及1个8位可编程预分频定时/计数器，更重要的是其具有在线串行编程(ICSP)能力，同时具有DIP和SOIC封装形式。在工作电压为5V，时钟频率为4MHz时耗电仅为2mA，当工作电压为3V，时钟频率为32kHz时耗电仅为15uA，其待机模式只有1uA。尤其令人叹为观止是其具有极高的性价比，目前的市场价格仅仅只有45元钱。由于具有上述优点该型号单片机目前在小型家电和一些智能控制系统中得到广泛的应用1415。第四章 串行总线下激光电源系统的单片机控制4.1 控制系

50、统的设计要求及单片机的选择固体激光器电源系统需要对激光电源的充电电压、激光的泵浦频率、电源的工作状态进行监测，对激光器的预热、充放电时刻进行设置和控制，要求系统具有数据的存储、运算以及根本的I/O接口功能。单片机具有较强的运算能力，和数据处理能力，同时能提供多路的I/O接口和中断向量，便于实现实时监测与控制；而一般单片机均带有一定的存储器或者可以扩展的存储空间。所有这一切都与过程控制的要求相吻合，而且单片机由于其体积小、性价比高更适合用于嵌入式控制系统，所以单片机在过程控制领域得到了广泛的应用。所以在本设计中采用 PIC16F877和PIC12C672两种型号的单片机实现电源系统的过程控制。系

51、统中，PIC16F877单片机作为上位机的具体任务是实现对各子模块工作的监控，氙灯触发，PWM调制脉冲的输出，负责动作命令的发布，键盘的输入与控制，检测结果的显示以及主程序的存储与管理；PIC12C276单片机作为下位机主要负责具体数据的检测，具体控制动作的执行，如：预燃是否成功的判定，控制泵浦频率的测量，调Q触发脉冲的输出等等。PIC16F877单片机是美国Microchip公司推出的8位单片机，是一个支持实时仿真的微控处理器，本设计选择其作为上位机负责主控以及局部信号的检测与控制，它具有40个引脚。本身带有5个可以独立编程的输入输出端口，这些具有独立编程能力的输入输出端口不仅能完成根本的输

52、入输出超作，同时还能满足一些特殊的要求；3个不同位数且具有预分频功能的定时器，这些定时器与其它功能模块可以完成一些特殊的功能，如：PWM调制脉冲的产生等；同时芯片带有8路10位的ADC，完成对输入信号的模/数转换；多达14个外部中断和8级深度的硬件堆栈，便于实现对外部事件的实时监测与控制；8×14个FLASH程序存储器，256×8 EEPROM数据存储器和368×8个静态RAM数据存储器，通过扩展可以使其具有64KB的寻址能力；具有多个串行接口可以实现在线系统编程与程序下载，传送速率高达400kbit/s的高速I2C接口和SPI接口，能够方便地实现数据的串行传输；

53、低功耗模式空闲和掉电状态，可以通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，同时通过个别使能/禁止外部功能可以来优化功耗。PIC12C672单片机也是由美国Microchip公司推出的8位单片机，它同样是一个支持实时仿真的微控处理器，本设计选择其作为下位机主要负责信号的具体检测和过程的控制。选择其作为下位机主要是考虑该型号的单片机仅仅只有8个引脚，体积小容易实现嵌入，同时价格比较低，目前国内市场的售价在3-6元之间，其价格仅仅与一般的通用集成芯片相当，但该型号单片机具有其它通用或者专用芯片无法比较的性能优势，具有良好的性价比。如前一章所述该型号单片机有5个双向I/O通道，能完成根本的数据输入/输出；3

54、个中断引入端，8层的硬件堆栈，以实现对外部事件的实时监控与处理；一个8位可编程的预分频定时/计数器，可以实现控制所必需的时间延时；除此之外该型号单片机还具有其它相类似单片机所不具备独特优势，其自身带有4路8位的A/D转换通道，可以直接完成对所采集的数据进行模/数转换；单片机含有128x8的片内数据存储器RAM，一百万次可反复擦写的1k字节只读程序存储器(EEPROM)，能够存储简单的中间结果和过程控制程序；与PIC16F877单片机一样，低功耗模式空闲和掉电状态，可以通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，降低功耗13。4.2 控制系统的硬件设计4.2.1 概述控制系统的硬件设计，合理地使用上、

55、下位机的I/O接口资源实现对各单元电路的检测与控制，完成上、下位机之间的数据和命令的传递，实现控制结果的正常显示。图4-1为控制系统的硬件结构框图。控制系统主要是利用上位机PIC16F877负责整个系统的控制，主要包括：控制命令的键盘输入，激光器电源状态的显示，外部存储器的扩展，与各个下位机信息的交换与控制等等。作为电源主回路充电电压的检测与控制在本设计中也利用PIC16F877来完成，主要是考虑该单片机内部带有10位的A/D转换电路，而其他作为下位机使用的单片机的A/D转换器均是8位，其转换精度与速度都受到限制，不能完全满足要求。大功率晶体管的调制控制脉冲PWM，在选择具体的单片机的时候，为减小设计本钱，在本方案中也是采用由PIC16F877输出，具体主要是利用上位机所携带的定时器2的PWM工作模式，在RC1/RC2引脚输出相应的PWM调制脉冲来控制软开关大功率晶体管的工作状态，从而实现对主电路电源的检测与控制。所有控制命令的输入主要是利用4×4位的键盘来完成，键盘输入的内容主要有09，十个字符，启动控制键，参数设置键等等，键盘命令的输入和所处状态的检测在设计中主要是由PIC16F877的PC口来完成。激光电源状态的显示采用PIC16F877单片机的PB口输出，利用常用的