激光电源的控制子系统研制

摘要

近年来，社会对电源控制系统的要求越来越高，传统的电源控制系统由于数字化程度不高、速度不够快、精度和可靠性低等缺点，使其逐渐满足不了人们的需求。随着电力电子技术、功率器件和数字芯片的发展，嵌入式设备电源控制系统逐渐进入人们的视野。同传统的电源系统相比，嵌入式设备电源系统具有速度快、可靠性强、通讯实时性好以及故障诊断处理等优点。因此，在科研和生产中，嵌入式设备电源控制系统有很好的应用前景。
　　基于此，本文基于嵌入式设备设计了一种激光电源控制子系统。在该系统中，采用AVR单片机作为主控制芯片，并设计了多路测量信号调理电路、模拟信号和数字信号的隔离和驱动电路、通讯单元、脉冲调制成形单元等电路。此系统可用于发送控制命令和配置参数，通过采集电源的电压、电流和温度等参数来实现对电源运行状态的实时监控，保证电源的正常运行，实现激光器按预设流程一键出光，并通过采集的数据对电源工作状态进行故障诊断，及时发现故障和报警，实现电源的抗浪涌击穿、断电保护和过流保护等多种功能，避免生产事故的发生，从而节约大量的人力和事故支出。
　　本设计以ATMEL公司的MCU芯片ATxmega128A1为核心控制器，设计了激光电源控制子系统的硬件电路，主要包括CAN通信硬件设计电路、电流源设计电路、温控系统保护电路和过流保护电路，采用负反馈原理和闭环控制思想分别实现对驱动电流和温度的控制。在硬件电路的基础上，使用ATMEL公司的AVR studio配合C高级语言的软件开发平台完成了软件设计，实现了数据采集、故障诊断以及控制脉冲信号产生等功能。
　　本论文给出整体结构，该系统在实验室和工业现场上进行了调试，满足激光器电源的控制需求。测试结果表明，该系统可实现报文的发送、接收、故障诊断处理等功能，可靠性强，通讯实时性好。该系统能够控制激光器电源输出占空比20％及以上的0.5～6A范围内连续可调的稳定的电流，能使激光驱动电路一小时内电流偏差率控制在0.02％，温度控制偏差控制在±0.005°。另外，电气隔离电路的设计，进一步提高系统的抗干扰能力;同时，软件设计部分采用自顶向下的模块化设计方法，增强系统的可移植性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及趋势

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．2．3 发展趋势

1．3 本论文研究内容

第2章 电源控制系统设计与开发

2．1 应用系统开发过程理论概述

2．2 电源控制系统功能分析

2．3 主要性能指标

2．4 系统技术特点

2．5 控制系统总体结构

2．6 控制系统工作流程

第3章 控制系统硬件设计

3．1 ATxmega128A1简介

3．2 AVR单片机外围电路

3．2．1 时钟电路

3．2．2 JTAG接口电路

3．2．3 复位电路

3．2．4 DAC连接电路

3．2．5 ADC连接电路

3．3 CAN通信电路

3．3．1 CAN节点硬件设计框图

3．3．2 CAN控制器电路

3．3．3 CAN收发器电路

3．3．4 电气隔离电路

3．4 驱动电流输出及过流保护电路

3．4．1 驱动电流输出电路

3．4．2 过流保护电路

3．5 温控模块电路

3．5．1 温控系统设计

3．5．2 温度采样电路

3．6 声光Q开关模块电路

3．6．1 声光Q开关简介

3．6．2 声光Q开关模块相关电路

3．7 FPGA模块电路

第4章 控制系统软件设计

4．1 AVR Studio软件开发平台

4．2 软件设计总体思路

4．3 工作流程

4．3．1 系统初始化

4．3．2 自检态工作过程

4．3．3 待机态工作过程

4．3．4 输出态工作过程

4．4 CAN通信模块设计

4．4．1 通信协议的制定

4．4．2 数据发送模块

4．4．3 数据接收模块

4．5 上位机软件设计

4．5．1 上位机接收模块

4．5．2 设备开关及数据处理模块

4．5．3 上位机发送模块

4．5．4 上位机监控界面设计

第5章 FPGA设计

5．1 FPGA设计环境

5．2 FPGA功能指标

5．3 FPGA模块设计及仿真

第6章 系统调试

6．1 系统搭建

6．2 CAN通信模块测试

6．2．1 网络的负载分析

6．2．2 网络的实时性分析

6．3 电流源输出模块测试

6．4 上位机实验结果

6．5 软件可扩展性分析

6．6 软件抗干扰性分析

总结及展望

致谢

参考文献

附录

攻读工程硕士学位期间发表的论文及科研成果