畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于串行總線下智能激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于串行總線下智能固體脈沖激光電源控制系統(tǒng)研究摘要激光由于具有單色性、相干性、方向性好以及能量密度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于國防、醫(yī)療和機(jī)械加工等各個(gè)領(lǐng)域。研究穩(wěn)定性好、可靠性和智能化水平高的激光控制系統(tǒng)顯得尤為重要，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。論文詳細(xì)介紹了固體脈沖激光電源系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成，對(duì)固體脈沖激光電源的充電回路和調(diào)Q電路工作原理進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)介紹了充電電路中PWM移相控制全橋變換器的根本工作原理及控制方式。課題選用單片機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了固體脈沖激光電源的控制系統(tǒng)，同時(shí)利用串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)與單片機(jī)的串行連接，較好地實(shí)現(xiàn)了各器件間、器件與主機(jī)間以及多主機(jī)間的信息交換和相

2、互通信，并給出了基于單片機(jī)控制的軟件流程圖。關(guān)鍵詞: PWM移相調(diào)制 串行總線 調(diào)Q 單片機(jī) 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目錄第一章 緒論 1 1

6、.1前言 1 1.2 固體脈沖激光器電源系統(tǒng)的組成 1 3 1.4 論文的研究內(nèi)容 3第二章 固體脈沖激光器電源系統(tǒng) 5 能5 護(hù)5 2.3 脈沖泵浦燈的觸發(fā)與氙燈預(yù)燃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10 2.4 激光調(diào)Q電路的組成12第三章 PIC 單片機(jī)組成及其應(yīng)用介紹 16 3.1 PIC 引言 16 3.2 PIC16F877單片機(jī)的組成 16 3.3 PIC12C672單片機(jī)的組成 18第四章 串行總線下激光電源系統(tǒng)的單片機(jī)控制 20 20 4.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)21 4.3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)32第五章 結(jié)論與展望34 5.1 結(jié)論33 5.2 前景與展望33參考文獻(xiàn) 35第一章 緒論1. 1前言激光

7、是一種光頻電磁波，具有很高的頻率(10131015HZ)和良好的相干性，可以用來作為理想的信息傳遞載體，自其問世以來在通信和圖像文字的傳輸與處理中得到廣泛的應(yīng)用1。同時(shí)其又具有高亮度、良好的單色性和方向性等特點(diǎn)，使激光的應(yīng)用已普及工業(yè)、軍事、醫(yī)藥和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域;尤其是自60年代邁曼(Mailman)創(chuàng)造世界上第一臺(tái)紅寶石固體脈沖激光器以來，人們就開始不斷地探索可以改善固體激光器性能的可調(diào)諧激光介質(zhì)和調(diào)諧技術(shù)，使得固體激光器得到了飛速的開展。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的提高，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的成熟、調(diào)Q技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的使用，能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的中小功率的固體激光器的應(yīng)用

8、范圍將繼續(xù)擴(kuò)展，應(yīng)用前景更加廣闊2。中小型固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜的晶體或玻璃如:Cr3+:Al2O3，Nd3+:YAG和Ti3+:Al2O3等等，使用的鼓勵(lì)大多是光泵鼓勵(lì)，因而固體激光器常常是有工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)腔和光浦電源幾局部組成，其中激光電源作為產(chǎn)生激光能量的電泵浦源，是激光器最重要的技術(shù)設(shè)備之一，是決定激光器整體性能的重要因素，有時(shí)甚至直接決定整個(gè)激光器的性能和質(zhì)量指標(biāo)。1.2 固體脈沖激光器電源系統(tǒng)的組成 在固體激光器的工作物質(zhì)中，粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)一般都是通過電光泵的抽運(yùn)來實(shí)現(xiàn)，因而在這些激光器中常采用由氣體放電燈放電來形成高亮度輻射源。目前最常用的泵浦電源是電光源，

9、它一方面向激光器提供泵浦能量，另一方面控制激光輸出的強(qiáng)弱和重復(fù)頻率。固體激光器泵浦電源常采用脈沖供電和連續(xù)供電兩種形式，早期的脈沖激光電源大多采用工頻交流變壓器進(jìn)行升壓，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的隔離，此種方式往往造成整機(jī)的體積極為龐大，變壓器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)電網(wǎng)的沖擊也較為明顯。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)六、七年代，隨著微電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速開展，大量新型電子器件如功率器件IGBT等的紛紛問世，推動(dòng)電力電子技術(shù)的開展，使得PWM技術(shù)日趨成熟3。人們開始研制開關(guān)型電源，它是將工頻交流直接變成直流，再用開關(guān)功率變換方法，將直流逆變成中頻交流，通過中頻變壓器進(jìn)行升壓，與電網(wǎng)隔離后進(jìn)行整流給儲(chǔ)能電容充電，最后經(jīng)氙燈放

10、電后給激光器提供泵浦能量，與早期脈沖電源相比，開關(guān)型脈沖電源具有其無法比較的優(yōu)點(diǎn):1. 體積小，重量輕，伴隨著開關(guān)逆變頻率的提高，主變壓器和電感的體積逐漸減小。2. 高效節(jié)能，利用開關(guān)電源，能有效地調(diào)整電路的功率因數(shù)，大量減少能量轉(zhuǎn)換過程中的損失。3. 頻率響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)特性好。隨著逆變頻率的增高，開關(guān)電源對(duì)負(fù)載和供電變化的響應(yīng)加快，控制更加精確、及時(shí)，激光束的質(zhì)量得到提高?？傊?，通過開關(guān)電源技術(shù)的使用，可以提高整機(jī)的快速響應(yīng)能力，激光輸出的穩(wěn)定性和使用的方便性。固體脈沖激光電源系統(tǒng)主要包括:電源變壓和整流回路，儲(chǔ)能電容的充電回路，儲(chǔ)能電容對(duì)脈沖泵浦燈的放電回路，氙燈的觸發(fā)和預(yù)燃回路，控制與調(diào)節(jié)

11、回路等幾個(gè)局部，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示4。 圖1-1 固體脈沖激光器電源原理框圖其電路原理是:電源系統(tǒng)利用開關(guān)技術(shù)對(duì)大型儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，儲(chǔ)存電能，當(dāng)觸發(fā)回路給氙燈提供一個(gè)觸發(fā)高壓脈沖時(shí)，燈管內(nèi)氣體被擊穿，氙燈進(jìn)入低阻狀態(tài)。儲(chǔ)能電路中積累儲(chǔ)存的電能通過氙燈進(jìn)行脈沖放電，儲(chǔ)能放電電路的適當(dāng)設(shè)計(jì)使放電脈沖具有所希望的波形。通過采用預(yù)燃技術(shù)，使得氙燈觸發(fā)后，預(yù)燃電路給氙燈提供一個(gè)預(yù)燃電流，使氙燈維持小電流導(dǎo)通狀態(tài)。減小觸發(fā)高電壓對(duì)電路的影響，脈沖放電主要依賴放電回路中的放電開關(guān)進(jìn)行控制?？刂苹芈纷鳛橄到y(tǒng)的核心器件控制上述各個(gè)回路的正常、協(xié)調(diào)工作，并提供各種平安、保護(hù)功能。固體脈沖激光器泵浦燈每

12、次放電持續(xù)時(shí)間短，越幾十微秒至幾十毫秒，而其最大放電能量可達(dá)數(shù)千焦耳，放電脈沖功率甚至可達(dá)兆瓦。 目前尚無法用一個(gè)平均功率與之相當(dāng)?shù)碾娫聪到y(tǒng)直接供電，必須采用一定的儲(chǔ)能元件在不放電時(shí)從低平均功率的電源充電電路中得到、積累所需的電能，再由儲(chǔ)能元件將能量傳遞至氙燈，必要時(shí)利用調(diào)Q電路從而獲得系統(tǒng)所需要的脈沖功率。總之，僅靠單一模塊無法滿足電源要求，必須使用多個(gè)模塊分工協(xié)作方可實(shí)現(xiàn)。鑒于此控制電路的作用顯得尤為突出，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，激光電源控制系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化是其今后開展的主要方向。1.3單片機(jī)在激光電源中的應(yīng)用目前產(chǎn)品中使用的激光電源主要采用高頻開關(guān)技術(shù)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為體積小

13、、效率高、功率集成度高，采用全硬件控制，電路較為復(fù)雜，自動(dòng)化程度低。同時(shí)電源系統(tǒng)需要對(duì)激光泵浦頻率，電源的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，因此要求系統(tǒng)應(yīng)該具備存儲(chǔ)、運(yùn)算、接口功能。采用軟、硬件相結(jié)合，智能化控制是激光電源的開展方向，單片機(jī)是現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用中的主流技術(shù)之一。在許多工業(yè)和民用的電子控制系統(tǒng)中，單片機(jī)由于具有較強(qiáng)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，能提供多路O/I接口和中斷向量，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)單片機(jī)由于體積小、本錢低易于設(shè)計(jì)成嵌入式控制系統(tǒng)，使其在系統(tǒng)中往往起著核心的作用。鑒于此，世界上各大芯片制造公司都推出了具有自主產(chǎn)權(quán)的各種類型的單片機(jī)，從8位、16位到32位應(yīng)有盡有，其功能也都逐步趨于完善

14、，同時(shí)其自身的獨(dú)特設(shè)計(jì)也使單片機(jī)自身的電源技術(shù)和抗干擾技術(shù)趨于成熟，不僅使單片機(jī)自身的應(yīng)用前景更加廣闊，同時(shí)也使大量控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)成為可能。作為其諸多應(yīng)用之一就是利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)激光電源控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，該控制電路模塊的原理框圖如圖1-2所示4。圖1-2 智能固體脈沖激光電源原理框圖1.4 論文的研究內(nèi)容如前所述激光電源作為決定整個(gè)激光器系統(tǒng)核心器件之一，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展，其控制逐步趨于自動(dòng)化和智能化。但是就目前所廣泛采用的控制方案中，電源系統(tǒng)的控制大多采用全硬件控制方式，電路比較復(fù)雜，自動(dòng)化程度也較低，即使采用單片機(jī)進(jìn)行控制也僅僅停留在對(duì)數(shù)據(jù)的處理、放電時(shí)間控制與顯示

15、這一層次上，并且都是采用彼此孤立控制這一控制方式，沒有形成網(wǎng)絡(luò)，形成系統(tǒng)。有的控制系統(tǒng)雖然采用了上、下位機(jī)雙向通信進(jìn)行控制，所采用的方案也大多是單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，即往往利用PC機(jī)作為上位機(jī)-主機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)從機(jī)。這種通信方式上下位機(jī)之間不僅要遵循一定的協(xié)議，同時(shí)控制方式也較為復(fù)雜，控制本錢相對(duì)較高，程序的設(shè)計(jì)、控制方案的選擇也比較困難。本課題主要是探討利用選用Microchip公司生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)中的PIC16C877、PIC12C672型單片機(jī)和局部帶有串行總線的器件構(gòu)成控制系統(tǒng)，在電源內(nèi)部采用單片機(jī)控制，而整個(gè)控制方案那么采用軟硬件相結(jié)合的形式，通過串行通信接口和串行總線

16、技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各個(gè)組成部件之間的相互通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Nd3+:YAG固體激光器的觸發(fā)、預(yù)燃、調(diào)Q、泵浦電路控制系統(tǒng)的多任務(wù)控制。第二章 固體脈沖激光器電源系統(tǒng)2.1激光電源系統(tǒng)的組成與各局部功能固體脈沖激光電源系統(tǒng)主要是由充電網(wǎng)絡(luò)、放電回路、預(yù)燃回路、調(diào)Q回路以及邏輯控制回路幾局部組成，其構(gòu)成框圖如圖1-1所示。其中充電網(wǎng)絡(luò)作為主電路，主要是利用大型儲(chǔ)能電容完成對(duì)氙燈電離所需電能的儲(chǔ)存，同時(shí)放電回路是為氙燈提供觸發(fā)高壓脈沖，使氙燈內(nèi)氣體被擊穿形成電離，構(gòu)成導(dǎo)電通道，形成放電脈沖，得到所需的脈沖波形。氙燈的每一次觸發(fā)采用的都是高壓脈沖觸發(fā)方式，此種觸發(fā)方式往往會(huì)造成電極濺射，使氙燈的壽命縮短。

17、同時(shí)氙燈觸發(fā)高壓脈沖也會(huì)對(duì)電子線路產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，擊穿電壓和電離通道受傳導(dǎo)電流微小變化和燈的不規(guī)那么冷卻的影響，往往使放電脈沖的幅度和寬度產(chǎn)生顯著的抖動(dòng)。為消除這些影響，預(yù)燃電路那么在燈的脈沖放電間隙期間保持低電流放電，實(shí)現(xiàn)預(yù)電離，從而消除上述高壓脈沖觸發(fā)所帶來的負(fù)面影響。為提高單個(gè)脈沖峰值功率，系統(tǒng)中往往引入調(diào)Q電路，調(diào)Q電路主要是由晶體高壓和高壓電路組成，它是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在激光物質(zhì)的高能態(tài)上，在Q開關(guān)翻開時(shí)，集中在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，使激光的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光開展史上的一次重大突破。在本章中我們將分別討論構(gòu)成系統(tǒng)的這幾局部的工作原理，并對(duì)其主要

18、實(shí)現(xiàn)電路作進(jìn)一步討論。2.2充電主電路工作原理及過電流保護(hù)2.2.1概述在固體脈沖激光電源系統(tǒng)中，由于激光器泵浦工作時(shí)放電時(shí)間短，放電功率大，目前大多數(shù)激光器的儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)仍然采用電容作為儲(chǔ)能元件。電容器充電至電壓U0時(shí)，儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量為：其中E0為電容的存儲(chǔ)能量J，C為電容電量F，U0為電容的端電壓。在充電主回路中，當(dāng)確定了激光器放電電能、放電電壓后，可根據(jù)上式可以確定出儲(chǔ)能電容的容量和耐壓值。與其它儲(chǔ)能元件相比較，電容在儲(chǔ)存相同能量的情況下，體積和價(jià)格均比電感類元件小得多，在激光器電源系統(tǒng)中大多采用電容作為一種較為簡單的儲(chǔ)能器件，所謂電容庫是指儲(chǔ)能電容具有很大的電容值。激光器充電簡單電路如圖2

19、-1所示。儲(chǔ)能元件電容由高壓電源提供應(yīng)定電壓，在儲(chǔ)能電容C和氙燈之間串接一個(gè)大功率開關(guān)元件如可控硅或IGBT絕緣柵型雙極性晶體管，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，高壓電源向電容充電，并且充電到某一給定值，當(dāng)IGBT開通時(shí)電容C向氙燈放電，系統(tǒng)通過控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)的初始放電電壓，那么可以到達(dá)設(shè)定單次脈沖放電能量。由于IGBT導(dǎo)通后管子的壓降可以忽略，由電容C和氙燈電阻R組成的RC放電回路當(dāng)C很大時(shí)，在的放電期間里，燈上電壓視為不變，但電流下降較平緩，泵浦能量不集中，常在放電回路中參加電感構(gòu)成放電仿真線回路。由于電容器上的電壓不能突變。在充電的初始階段UC=0，電容相當(dāng)于短路，當(dāng)電容上的電壓充電接近于電源電

20、壓時(shí)，電容器相當(dāng)于開路。因此在整個(gè)充放電過程中電容器作為負(fù)載是一個(gè)急劇變化的參量，充電電路既要能限制儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)的充電電流，又應(yīng)該能按一定的頻率向儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)傳送某一確定的能量2。 圖2-1電容充放電原理圖 充電電路是按一定的頻率向儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)傳送能量，降低開關(guān)損耗和開關(guān)對(duì)電路的沖擊是設(shè)計(jì)充電回路的一個(gè)根本出發(fā)點(diǎn)。目前所廣泛使用的充電電路大多數(shù)是采用脈寬調(diào)制技術(shù)，即PWM調(diào)制技術(shù)。在傳統(tǒng)的PWM開關(guān)電路中，開關(guān)器件是在高壓下導(dǎo)通，大電流下關(guān)斷，整個(gè)過程都是一種強(qiáng)迫開關(guān)過程，是以控制占空比的方式來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。這種控制方式其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，穩(wěn)態(tài)電流增益與負(fù)載無關(guān)。同時(shí)其缺陷也十清楚顯，

21、隨著逆變頻率的提高開關(guān)損耗也明顯增加，進(jìn)一步提高PWM開關(guān)頻率往往受到開通、關(guān)斷損耗增加的限制。電路中感性元件在開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)電流的變化量di/dt過大，同時(shí)二極管由導(dǎo)通變截止時(shí)存在恢復(fù)期，造成直流電源瞬間短路，產(chǎn)生巨大的沖擊電流，這一切往往會(huì)造成開關(guān)器件兩端產(chǎn)生尖峰電壓，使器件易于被擊穿。當(dāng)電源工作在高頻時(shí)，電路中寄生電容和雜散電感容易形成振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生損耗，對(duì)周邊電路產(chǎn)生電磁環(huán)境干擾。為了減小并消除這些影響，降低開關(guān)損耗，有必要對(duì)PWM技術(shù)進(jìn)行改良。2.2.2移相ZVSPWM全橋變換器1.PWM全橋逆變器的工作狀態(tài)PWM全橋逆變器有三種工作狀態(tài)，與三種工作狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，電路有三種切換方式，為

22、了更好地了解三種工作狀態(tài)和切換方式，結(jié)合原理電路2-2對(duì)其作簡要的分析6。圖2-2 ZVSPWM全橋變換器根本結(jié)構(gòu)電路由四只開關(guān)管QQ4，反向并聯(lián)二極管D1D4，開關(guān)管并聯(lián)或寄生電容C1C4，輸出變壓器Tr構(gòu)成全橋逆變器和整流電路組成。+1狀態(tài)在圖2-2電路中，當(dāng)Q1Q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，加在A、B兩點(diǎn)的電壓為正的輸入電壓，即VAB=VIN，此時(shí)電路工作在+1狀態(tài)。0狀態(tài)在圖2-2電路中Q1D1和Q3同時(shí)導(dǎo)通，或者Q3D3和Q4D4同時(shí)導(dǎo)通，A、B兩點(diǎn)的電位相等，VAB=0=0VIN，電路工作在0狀態(tài)。-1狀態(tài)Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通，那么VAB=-VIN，電路工作在-1狀態(tài)。2.ZVSPWM全橋逆變器的

23、控制方式根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷方式，全橋逆變器有三種控制方式，分別為：雙極性控制方式、有限雙極性控制方式和移相控制方式7。雙極性控制方式是指在圖2-2中，Q1Q4和Q2Q3分別為一組同時(shí)導(dǎo)通或者同時(shí)截止的隔離開關(guān)管，兩組開關(guān)管以PWM控制方式鼓勵(lì)并交替通斷，將直流輸入電壓VIN變換成高頻方波交流電壓。當(dāng)其中的一組開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，另一組管子上的電壓為輸入電壓；當(dāng)四個(gè)管子同時(shí)截止時(shí)，各個(gè)管子上的電壓均為輸入電壓。有限雙極性控制方式是讓橋臂的兩個(gè)管子如Q1或Q2為PWM工作方式，另一個(gè)橋臂的Q3和Q4輪流導(dǎo)通，每組管子的導(dǎo)通時(shí)間相同。移相控制方式是利用Q1和Q3，Q2和Q4輪流導(dǎo)通，但Q1和Q4，Q2

24、和Q3不同時(shí)導(dǎo)通，假設(shè)Q1先導(dǎo)通，那么Q4后導(dǎo)通，兩者在導(dǎo)通的時(shí)間上相差相位，對(duì)于Q2和Q3同樣如此。通常稱Q1和Q2組成的橋臂為超前橋臂，Q3和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。實(shí)用移相PWM全橋變換器可以做到在開關(guān)開通前使開關(guān)的電壓下降到零，使開關(guān)管具有軟開關(guān)功能。軟開關(guān)技術(shù)是利用電感和電容對(duì)開關(guān)的開關(guān)軌跡進(jìn)行整形，提高變換器的工作效率，減小開關(guān)應(yīng)力。2.2.3 移相ZVSPWM全橋變換器的工作原理移相ZVSPWM全橋變換器利用圖2-2電路所示變壓器漏感或者串接在原邊電感和開關(guān)管的寄生電容或者外接電容來實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。其原理電路如圖2-2所示，各個(gè)時(shí)刻的主要波形如圖2-3所示，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管

25、成1800互補(bǔ)導(dǎo)通，電橋兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)角相位，即移相角，電路通過調(diào)節(jié)移相角的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)與控制7。1.t1時(shí)刻 t1時(shí)刻之前，Q1和Q4同時(shí)導(dǎo)通，VAB=+VIN，電路經(jīng)過Q1和Q4給電容C1充電，當(dāng)充電電壓到達(dá)電源電壓VIN時(shí)t1時(shí)刻Q1關(guān)斷，流過變壓器電感的電流開始對(duì)Q1的寄生電容C1充電，同時(shí)C3放電，變壓器的電流從Q1中轉(zhuǎn)移到C3和C1支路中，由于有C3和C1的存在，Q1的關(guān)斷是一個(gè)零電壓關(guān)斷。在此時(shí)段內(nèi)可以視變壓器的原邊電流近似不變，類似一個(gè)恒流源。2.t2時(shí)刻 在此時(shí)刻，C2的電壓下降至零，反接在Q2兩端的二極管D2自然導(dǎo)通，此時(shí)開通Q2，Q2是在零電壓狀態(tài)

26、下導(dǎo)通，電流仍流經(jīng)D2，Q2中并無電流流過。Q2是在D2開通的情況下導(dǎo)通，此時(shí)VAB=0。電路的切換是+1/0切換。Q1和Q2兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖延遲時(shí)間td12可以由單片機(jī)控制輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。3.t3時(shí)刻Q4關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，原邊電流又C2和C4共同提供，原邊電流不僅抽走電容C3上的電荷，同時(shí)又給C4充電，同樣由于C3和C4的存在使得Q4的關(guān)斷是在零電壓狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。由以上的分析可知，當(dāng)超前橋臂Q1Q2關(guān)斷時(shí)，由于濾波電感和漏電感是串接在電路中，原邊電流根本保持不便，是一個(gè)恒流源。因此超前橋臂容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，同時(shí)也只能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，不能形成零電流關(guān)斷。4.t4時(shí)刻 在此

27、時(shí)刻Q3和Q2導(dǎo)通，當(dāng)C4上的電壓上升至VIN時(shí)，先D3自然導(dǎo)通，然后開通Q3，因此Q3也是零電壓開通。雖然Q3此時(shí)已經(jīng)自然開通，但是電流并流經(jīng)Q3，仍然從D3流過，Q3和Q4驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在死區(qū)時(shí)間，此時(shí)間仍然由單片機(jī)輸出脈沖延遲進(jìn)行調(diào)整。5.t5時(shí)刻在這一時(shí)刻，Q3導(dǎo)通Q2關(guān)斷，Q1的寄生電容C1充電，當(dāng)電容兩端的電壓被充電到電源電壓時(shí)，Q2關(guān)斷，此后變壓器原邊電流開始對(duì)Q2的寄生電容C2充電。與此同時(shí)電容C1兩端的電壓下降，這一過程將一直持續(xù)到Q1上的反接二極管D1導(dǎo)通。該過程開關(guān)的切換方式是-1/0切換。圖2-3 主電路工作波形6.t6時(shí)刻 Q1和Q3導(dǎo)通，在D1導(dǎo)通后開通Q1，同理Q

28、1也是零電壓導(dǎo)通。7.t7時(shí)刻 此一時(shí)刻Q1導(dǎo)通Q3關(guān)斷，Q2的寄生電容C2開始充電，Q4的寄生電容C4開始放電。當(dāng)Q4兩端的電壓到達(dá)0V后，Q4從零電壓開始導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)無損耗開通。開關(guān)在此時(shí)刻實(shí)現(xiàn)的切換是0/+1狀態(tài)切換。t8時(shí)刻的狀態(tài)與t1時(shí)刻相同，此后電路那么重復(fù)t1t7時(shí)刻的狀態(tài)。 總之，利用移相PWM控制方式是通過改變電路中兩橋臂對(duì)角場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相角大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，使得整個(gè)電路的切換狀態(tài)處于零電壓切換，開關(guān)管處于軟工作狀態(tài)，開關(guān)的損耗小，開關(guān)頻率得到提高。2.2.4調(diào)制脈沖的輸出與過電流保護(hù)固體脈沖激光器的泵浦過程對(duì)電路的沖擊很大，逆變電路頻率的變化、波動(dòng)同樣也會(huì)使得充

29、電電壓產(chǎn)生不穩(wěn)定，特別是放電回路中的電流脈沖峰值較高，如不對(duì)其進(jìn)行限制往往很容易造成IGBT的損壞。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在以PIC16F877單片機(jī)作為主控芯片的激光電源系統(tǒng)中(如圖2-4所示)，可以采用MAX813L作為電壓的監(jiān)控，由霍爾元件、電流傳感器檢測(cè)負(fù)載氙燈兩端的電壓電流值，檢測(cè)結(jié)果送到單片機(jī)PIC16F877的2、3端(RA0/AN0、RA1/AN1)，由設(shè)計(jì)軟件對(duì)傳送來得采樣值進(jìn)行比較。當(dāng)采樣值高于系統(tǒng)設(shè)定的參考電壓電流時(shí)，由PIC16F877的6、7端(RA4，RA5)輸出過流過壓控制信號(hào)，并經(jīng)邏輯或門74LS32與IGBT的驅(qū)動(dòng)管IR2110的封鎖端SD相連接，當(dāng)發(fā)生過流

30、過壓時(shí)控制信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)IR2110進(jìn)行封鎖，及時(shí)有效地切斷PWM輸出，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的真正關(guān)閉，保障IGBT的平安。圖2-4 電容充電主控電路示意圖2.3 脈沖泵浦燈的觸發(fā)與氙燈預(yù)燃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.3.1 脈沖泵浦燈的觸發(fā)一個(gè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖氙燈，工作電壓均應(yīng)小于自閃電壓。因此，當(dāng)上述電源系統(tǒng)給儲(chǔ)能電容充電到工作電壓時(shí)，氙燈不會(huì)自行放電和閃光，它根本上處于開路狀態(tài)。要使氙燈受控放電和閃光，就必須配置一套專門的觸發(fā)系統(tǒng)。即儲(chǔ)能電容對(duì)脈沖氙燈的放電通常由一個(gè)高壓觸發(fā)脈沖引發(fā)，觸發(fā)脈沖的作用是在兩極間建立電離火花通道，從而導(dǎo)致主放電的發(fā)生。脈沖氙燈的觸發(fā)方式有外觸發(fā)，內(nèi)觸發(fā)2。內(nèi)觸發(fā)是將脈沖直接加在燈電極上

31、而使燈內(nèi)氣體電離。內(nèi)觸發(fā)電路如圖2-5 所示，它利用脈沖變壓器B產(chǎn)生的脈沖高壓觸發(fā)氙燈。觸發(fā)電路所用電源V1一般為幾百伏，電容C1為 110uF。當(dāng)電容C1充電到V1后即給出控制信號(hào)導(dǎo)通可控硅，C1通過變壓器B的初級(jí)線圈放電，次級(jí)線圈便感應(yīng)出上萬伏的高壓脈沖，使燈內(nèi)氣體電離形成通道，此時(shí)儲(chǔ)能電容C放電由于放電電流很大使變壓器飽和，它相當(dāng)于串聯(lián)在放電回路中的小電感。圖2-5內(nèi)觸發(fā)電路原理圖外觸發(fā)是高壓脈沖不直接加在燈電極上的觸發(fā)方式。如圖 2-6 所示，這種觸發(fā)方式的高壓脈沖可以加在纏繞在燈管外壁的鎳鉻絲上或其他電位參考面上。觸發(fā)電壓在 5kV10kV 之間。一般認(rèn)為以負(fù)極性觸發(fā)脈沖為好，它使激

32、光器獲得穩(wěn)定的輸出。圖2-6 外觸發(fā)電路原理圖上述兩種觸發(fā)方式共同的缺點(diǎn)是每當(dāng)氙燈點(diǎn)燃一次，均需一個(gè)高壓觸發(fā)脈沖。因而造成電極濺射，大大縮短燈的壽命。其次觸發(fā)脈沖電壓非常高，對(duì)電子線路產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾。再次，擊穿電壓和電離通道受到傳導(dǎo)電流微小變化和不規(guī)那么冷卻的影響，放電脈沖的幅度和寬度產(chǎn)生顯著的抖動(dòng)。為了克服以上缺點(diǎn)，現(xiàn)普遍采用“預(yù)燃技術(shù)。2.3.2 脈沖泵浦燈的預(yù)燃當(dāng)氙燈采用觸發(fā)方式電離后，預(yù)燃所需的直流高壓經(jīng)過限流電阻維持燈的小電流輝光放電為保證貯能網(wǎng)絡(luò)正常充電在氙燈與貯能網(wǎng)絡(luò)之間加一個(gè)放電開關(guān)。放電開關(guān)截止時(shí)，預(yù)燃氙燈與貯能網(wǎng)絡(luò)隔離，貯能網(wǎng)絡(luò)充電；當(dāng)放電開關(guān)翻開時(shí)，貯能網(wǎng)絡(luò)對(duì)氙燈放電觸

33、發(fā)脈沖僅在預(yù)燃狀態(tài)建立的初始時(shí)刻起作用，預(yù)燃狀態(tài)一旦建立，觸發(fā)電路退出工作，重復(fù)使脈沖氙燈進(jìn)入弧光放電狀態(tài)，完全靠充、放電電路交替工作實(shí)現(xiàn)采用預(yù)燃工作方式防止了觸發(fā)重復(fù)工作的弊病，燈壽命延長，放電脈沖穩(wěn)定，減少了電磁干擾，泵浦效率提高，在重復(fù)率較高的脈沖激光電源中廣泛采用。預(yù)燃觸發(fā)使燈在脈沖的間隙期間保持低電流放電，采用與主電源并聯(lián)的低電流直流電源，便可以實(shí)現(xiàn)預(yù)電離。腔體經(jīng)過一次觸發(fā)后，在燈電極上再加一個(gè)幾百伏的輔助電源V2，以長時(shí)間維持燈的小電流輝光放電，其電流一般為幾十毫安。這樣重復(fù)工作時(shí)無需再行觸發(fā)，只需翻開放電開關(guān)即可，因此僅僅需要消耗一局部功率。2.4 激光調(diào)Q電路的組成目前廣為采用

34、的激光脈沖主要有普通脈沖和調(diào)Q脈沖兩種形式，其中普通脈沖固體激光器輸出的脈沖是由許多振幅、脈寬和間隔做隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成，如圖2-7所示，每個(gè)尖峰的寬度約為0.1-1S，間隔為數(shù)微秒。故此普通脈沖固體激光器輸出的脈沖并非是一個(gè)平滑的光脈沖，這種現(xiàn)象被稱為激光器的馳豫振蕩。產(chǎn)生這種振蕩的主要原因是由于當(dāng)激光器的工作介質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時(shí)，那么產(chǎn)生激光振蕩，使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)密度增加，呈雪崩現(xiàn)象發(fā)射激光；隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)被大量地消耗，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度下降并低于閾值水平振蕩停止，這一過程不斷反復(fù)直到泵浦過程停止。而這樣由于每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生，因此脈沖的

35、峰值功率較低，光輸出形成的尖峰脈沖序列，泵浦能量的增加值僅能使尖峰的脈沖個(gè)數(shù)增加，尖峰序列時(shí)間分布更寬，無助于激光峰值功率的提高。激光調(diào)Q其實(shí)就是調(diào)節(jié)其品質(zhì)因數(shù)，通常激光技術(shù)中品質(zhì)因數(shù)Q定義為3：其中0為激光的中心頻率。圖2-7普通激光脈沖尖峰脈沖序列調(diào)Q技術(shù)就是要使馳豫振蕩受到抑制，而把激光能量壓縮在寬度極窄的脈沖中發(fā)射，讓全部的激光能量壓縮在一個(gè)很窄脈沖的時(shí)間里釋放出來，從而使光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。具體就是通過某種調(diào)制方式，使腔內(nèi)的Q值隨時(shí)間按一定的程序變化。在泵浦開始時(shí)使腔內(nèi)處于低Q值狀態(tài)，亦即提高振蕩閾值，使振蕩不能形成，完成上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子的大量積累，當(dāng)積累到最大值飽和值時(shí)突

36、然使腔內(nèi)的損耗減小，Q值突增，激光振蕩迅速 立起來，在極短的時(shí)間內(nèi)使上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，并 圖2-8 調(diào)Q脈沖建立過程示意圖轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)能量，從諧振腔的輸出端以單一脈沖形式釋放出來，即可獲得峰值功率很高的巨脈沖，巨脈沖的具體建立過程如圖2-8所示。在調(diào)Q技術(shù)中，有關(guān)諧振腔內(nèi)的能量損耗主要包含以下幾個(gè)局部：反射損耗1，衍射損耗2，散射損耗3，吸收損耗4，以及輸出損耗5等，具體腔內(nèi)總損耗可以表示為3：=1+2+3+4+5在調(diào)Q技術(shù)中，依據(jù)能量損耗的不同形式，可以用不同的調(diào)制方式來控制不同的能量損耗，這樣就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)。目前較為廣泛采用的有電光調(diào)Q，聲光調(diào)Q和飽和染料調(diào)Q技術(shù)幾種形式。其

37、中聲光調(diào)Q主要是采用把聲光Q開關(guān)有聲光介質(zhì)、聲-電換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源幾局部組成置于諧振腔內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生衍射，衍射光發(fā)生偏離，而偏離的角度可以使光波偏離出腔外，造成諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，亦即Q開關(guān)將激光“關(guān)斷。而當(dāng)高頻信號(hào)作用突然停止，那么在聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)消失，諧振腔突然變成高Q值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)“翻開，這樣Q值交替變化一次，就可以使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。圖2-9聲光調(diào)Q激光示意圖目前使用最為廣泛的電光調(diào)Q技術(shù)那么是利用電光晶體在外電

38、場(chǎng)的作用下，使入射偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生變化這一物理現(xiàn)象，人為地參加可控的等效反射損耗的方法，其具體工作原理如圖2-10所示。工作介質(zhì)YAG在氙燈的光浦下發(fā)射自然光通過偏振棱鏡后變成沿方圖2-10 電光晶體Q開關(guān)激光原理圖向的線偏振光，當(dāng)調(diào)制晶體上未加高壓時(shí)，光沿著傳輸線方向通過晶體，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)反射鏡反射后，再一次無變化地通過調(diào)制晶體和偏振棱鏡此時(shí)相當(dāng)于電光Q開關(guān)處于“翻開狀態(tài)。如果人為地在調(diào)制晶體上施加一定的控制電壓，由于晶體的縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿方向的線偏振光通過晶體后，產(chǎn)生了相位差，且線偏振光在腔內(nèi)往返一次總共積累了相位差，經(jīng)合成后那么可以得到沿方向振動(dòng)的線偏振光，也就是相當(dāng)于

39、入射光旋轉(zhuǎn)了900，此時(shí)偏振光那么不能通過偏振棱鏡，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉狀態(tài)。在氙燈剛剛開始點(diǎn)燃時(shí)，人為事先在調(diào)制晶體上施加一定的控制電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的產(chǎn)生。而待激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的控制電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，輸出高能量的巨脈沖，故此，電光調(diào)Q的實(shí)質(zhì)就是要精確地控制Q開關(guān)“翻開的延遲時(shí)間。目前通常采用的電光調(diào)Q電路一般都是由晶體高壓電路和退高壓電路組成，其工作原理如圖2-11所示。晶體高壓主要是用來使調(diào)制晶體產(chǎn)生縱向光電效應(yīng)，要求具體實(shí)際電路能夠產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定、可調(diào)。由于施加于晶體的電壓較高并且

40、可調(diào)，在具體應(yīng)用中可以采用直流逆變電路形式，通過對(duì)逆變控制信號(hào)的頻率和脈寬的調(diào)節(jié)，那么可以得到可調(diào)穩(wěn)定的直流電壓。退高壓同步信號(hào)亦即調(diào)Q同步信號(hào)，主要由放電控制電路提供，通常以放電控制信號(hào)的上升沿或者下降沿為起點(diǎn)，經(jīng)過一定的處理后，由脈沖變壓器觸發(fā)退高壓開關(guān)，使施加在晶體上的高壓消失，從而讓激光器輸出巨脈沖3。調(diào)Q同步脈沖由于不同的激光物質(zhì)的差異，在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)不同的要求，調(diào)節(jié)、確定調(diào)Q同步脈沖的延遲時(shí)間，使諧振激光腔內(nèi)的粒子數(shù)積累到最大值，并且最終讓激光器輸出理想的巨脈沖811。圖2-11 電光調(diào)Q電路原理圖第三章 PIC 單片機(jī)組成及其應(yīng)用介紹3.1 PIC引言利用單片機(jī)對(duì)過程進(jìn)行控制是

41、目前控制領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一，利用單片機(jī)對(duì)激光電源系統(tǒng)進(jìn)行控制是一種新的嘗試，與采用純硬件進(jìn)行控制相比具有本錢低、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。而當(dāng)前利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光電源的控制主要是停留在對(duì)充電主電路充電電壓的檢測(cè)與控制，對(duì)其他局部的監(jiān)測(cè)與控制涉及的較少；同時(shí)所使用單片機(jī)的種類雖然多種多樣，但大多都采用MCS-51系列及其兼容的單片機(jī)機(jī)型作為其智能控制核心器件，其原因在于該系列單片機(jī)引進(jìn)歷史最長，目前在國內(nèi)應(yīng)用面較廣并且參考資料也相對(duì)齊全、豐富。但在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都對(duì)微控制器提出了更高要求，希望所使用的微處理器速度更快、功耗更低、體

42、積更小、價(jià)格更廉并且組成系統(tǒng)時(shí)所需要的外圍器件更少。MCS-51系列單片機(jī)作為控制器件雖然具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)缺陷也比較明顯，在目前眾多的五彩繽紛的微控制器中，美國Microchip技術(shù)公司的PIC系列微控制器那么異軍突起。它率先推出采用精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC-Reduced Instruction Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。其具有高速度每條指令最快可達(dá)160ns、低工作電壓最低工作電壓可為3V、低功耗(3V，32kHz時(shí)15A)、較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)LED能

43、力(灌電流可達(dá)25mA)、一次性編程(OTP-One Time Programmable)并且體積小、指令簡單易學(xué)易用(35-37條指令)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而這一切都表達(dá)了微控制器工業(yè)開展的新趨勢(shì)。目前PIC微控制器的應(yīng)用已經(jīng)涉及到從辦公自動(dòng)化設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、電訊通信、智能儀器儀表到汽車電子、金融電子、工業(yè)控制等不同領(lǐng)域，人們生活的各個(gè)角落。同時(shí)PIC系列微控制器在世界微控制器市場(chǎng)份額排名中逐年上升，以至于PIC系列微處理器已經(jīng)成為一種新的8位微控制器的世界標(biāo)準(zhǔn)和最有影響力的主流嵌入式控制器14。3.2 PIC16F877單片機(jī)的組成PIC16F877單片機(jī)是具有40引腳的8位CMOS FLAS

44、H的單片機(jī)，在本設(shè)計(jì)中主要作為主控制機(jī)上位機(jī)來使用，其主要引腳如圖3-1所示。圖3-1 PIC16F877引腳圖該型號(hào)單片機(jī)，其核心是具有高性能的RISC CPU，8K×14個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器，368×8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM字節(jié)，256×8EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器字節(jié)，所有存儲(chǔ)器均具有低功耗、高速CNOS FLASH/EEPCOM工藝。單片機(jī)的匯編指令有33條單字節(jié)指令，在這些指令中間除了程序分支指令為兩個(gè)周期以外，其余指令均為單字節(jié)指令，其執(zhí)行速度中選擇DC0-20MHZ時(shí)鐘輸入時(shí)，即為0-400ns指令周期，在本設(shè)計(jì)中為統(tǒng)一所用單片機(jī)的匹配，選擇時(shí)鐘頻率為4M

45、HZ，執(zhí)行一條單字節(jié)指令所需的機(jī)器周期為1S。該型號(hào)的單片機(jī)其指令系統(tǒng)具有直接、間接和相對(duì)尋址能力，由于系統(tǒng)所帶的中斷源多達(dá)14個(gè)，而硬件堆棧深度可以到達(dá)8級(jí)，因此系統(tǒng)具有很強(qiáng)的中斷處理能力，這樣可以對(duì)多個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制。PIC16F877單片機(jī)共有5個(gè)獨(dú)立編程的輸入/輸出端口簡稱I/O口，這些端口之間在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上存在著較大的差異，有些端口僅僅能作為一般的輸入/輸出端口來使用，而有些端口那么具有復(fù)用功能，除了具有一般的輸入/輸出功能外，還具有許多特殊功能。單片機(jī)提供的I/O引腳既有串行口，同時(shí)也有并行接口，特別是這些并行接口都具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，每個(gè)I/O引腳可以提供25mA的灌電流

46、和20mA的拉電流，這樣的驅(qū)動(dòng)能力可以用來驅(qū)動(dòng)LED，在輸出、顯示電路中不需要像使用其他單片機(jī)那樣再增加驅(qū)動(dòng)芯片，所有這一切給該型號(hào)的單片機(jī)的應(yīng)用提供了諸多方便。PIC16F877單片機(jī)外圍配置了3個(gè)預(yù)分頻的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，分別為定時(shí)器0、定時(shí)器1和定時(shí)器2，和兩個(gè)捕捉/比較器和PWM模塊CCP模塊；三個(gè)定時(shí)器不僅位數(shù)不同，其功能也有所差異，其中定時(shí)器0主要用于通用的定時(shí)/計(jì)數(shù)目的，定時(shí)器1主要用于與CCP模塊配合使用來實(shí)現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能，而對(duì)于定時(shí)器2其與CCP模塊配合使用可以用來實(shí)現(xiàn)PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生。所有這些功能不僅使得用戶對(duì)控制過程實(shí)施定時(shí)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理更加方便與快捷，

47、同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)一些特殊的控制功能。由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，在一般的單片機(jī)系統(tǒng)中，通常使用專用的A/D采集芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓或者電流信號(hào)的采集，而通過單片機(jī)的計(jì)數(shù)器輸入端口對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于PIC16F877型單片機(jī)對(duì)于模擬信號(hào)的采集主要是利用自身所帶的片上8通道的10位A/D模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的采集。除了以上諸多特點(diǎn)外，該型號(hào)的單片機(jī)還采用獨(dú)特的低功耗、全靜態(tài)設(shè)計(jì)，使具有很寬的工作電壓范圍和溫度范圍，在5V、4MHZ時(shí)其工作電流小于2mA，而在睡眠方式下的典型值甚至小于1A。3.3 PIC12C672單片機(jī)的組成PIC12C672型號(hào)單片機(jī)是一個(gè)帶4路8bitA/D轉(zhuǎn)換器的，僅僅8個(gè)

48、引腳的高性能CMOS 8位單片機(jī)，在本設(shè)計(jì)中主要是作為具體的執(zhí)行機(jī)下位機(jī)來使用，其具體的引腳如圖3-2所示。圖3-2 PIC12C672引腳圖該型號(hào)單片機(jī)的指令系統(tǒng)是具有僅35條精簡指令的系統(tǒng)，所有指令均為單周期，系統(tǒng)具有直接、間接或者相對(duì)尋址方式。片內(nèi)含128×8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，一百萬次可反復(fù)擦寫的1kB字節(jié)只讀程序存儲(chǔ)器(EEPROM)，14位寬指令字節(jié)和8位次寬數(shù)據(jù)通道。8層硬件堆棧，看門狗WDT電路，可編程內(nèi)部時(shí)鐘振蕩源，省電模式及睡眠喚醒功能，內(nèi)部包含微上拉I/O口，可選擇片內(nèi)、片外RC振蕩器或晶體振蕩器，工作頻率DC-10MHz。PIC12C672型號(hào)單片機(jī)除了具有上述

49、主要特點(diǎn)外，還具有低功耗高速CMOS EPROM/EEPROM技術(shù)，寬工作電壓范圍，只有8個(gè)引腳，5個(gè)雙向的I/O接口，3個(gè)中斷輸入腳，以及1個(gè)8位可編程預(yù)分頻定時(shí)/計(jì)數(shù)器，更重要的是其具有在線串行編程(ICSP)能力，同時(shí)具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5V，時(shí)鐘頻率為4MHz時(shí)耗電僅為2mA，當(dāng)工作電壓為3V，時(shí)鐘頻率為32kHz時(shí)耗電僅為15uA，其待機(jī)模式只有1uA。尤其令人嘆為觀止是其具有極高的性價(jià)比，目前的市場(chǎng)價(jià)格僅僅只有45元錢。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)該型號(hào)單片機(jī)目前在小型家電和一些智能控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用1415。第四章 串行總線下激光電源系統(tǒng)的單片機(jī)控制4.1 控制系

50、統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及單片機(jī)的選擇固體激光器電源系統(tǒng)需要對(duì)激光電源的充電電壓、激光的泵浦頻率、電源的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)激光器的預(yù)熱、充放電時(shí)刻進(jìn)行設(shè)置和控制，要求系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算以及根本的I/O接口功能。單片機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，和數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)能提供多路的I/O接口和中斷向量，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制；而一般單片機(jī)均帶有一定的存儲(chǔ)器或者可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)空間。所有這一切都與過程控制的要求相吻合，而且單片機(jī)由于其體積小、性價(jià)比高更適合用于嵌入式控制系統(tǒng)，所以單片機(jī)在過程控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以在本設(shè)計(jì)中采用 PIC16F877和PIC12C672兩種型號(hào)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的過程控制。系

51、統(tǒng)中，PIC16F877單片機(jī)作為上位機(jī)的具體任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)各子模塊工作的監(jiān)控，氙燈觸發(fā)，PWM調(diào)制脈沖的輸出，負(fù)責(zé)動(dòng)作命令的發(fā)布，鍵盤的輸入與控制，檢測(cè)結(jié)果的顯示以及主程序的存儲(chǔ)與管理；PIC12C276單片機(jī)作為下位機(jī)主要負(fù)責(zé)具體數(shù)據(jù)的檢測(cè)，具體控制動(dòng)作的執(zhí)行，如：預(yù)燃是否成功的判定，控制泵浦頻率的測(cè)量，調(diào)Q觸發(fā)脈沖的輸出等等。PIC16F877單片機(jī)是美國Microchip公司推出的8位單片機(jī)，是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的微控處理器，本設(shè)計(jì)選擇其作為上位機(jī)負(fù)責(zé)主控以及局部信號(hào)的檢測(cè)與控制，它具有40個(gè)引腳。本身帶有5個(gè)可以獨(dú)立編程的輸入輸出端口，這些具有獨(dú)立編程能力的輸入輸出端口不僅能完成根本的輸

52、入輸出超作，同時(shí)還能滿足一些特殊的要求；3個(gè)不同位數(shù)且具有預(yù)分頻功能的定時(shí)器，這些定時(shí)器與其它功能模塊可以完成一些特殊的功能，如：PWM調(diào)制脈沖的產(chǎn)生等；同時(shí)芯片帶有8路10位的ADC，完成對(duì)輸入信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換；多達(dá)14個(gè)外部中斷和8級(jí)深度的硬件堆棧，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)外部事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制；8×14個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器，256×8 EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和368×8個(gè)靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過擴(kuò)展可以使其具有64KB的尋址能力；具有多個(gè)串行接口可以實(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程與程序下載，傳送速率高達(dá)400kbit/s的高速I2C接口和SPI接口，能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸；

53、低功耗模式空閑和掉電狀態(tài)，可以通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，同時(shí)通過個(gè)別使能/禁止外部功能可以來優(yōu)化功耗。PIC12C672單片機(jī)也是由美國Microchip公司推出的8位單片機(jī)，它同樣是一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的微控處理器，本設(shè)計(jì)選擇其作為下位機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的具體檢測(cè)和過程的控制。選擇其作為下位機(jī)主要是考慮該型號(hào)的單片機(jī)僅僅只有8個(gè)引腳，體積小容易實(shí)現(xiàn)嵌入，同時(shí)價(jià)格比較低，目前國內(nèi)市場(chǎng)的售價(jià)在3-6元之間，其價(jià)格僅僅與一般的通用集成芯片相當(dāng)，但該型號(hào)單片機(jī)具有其它通用或者專用芯片無法比較的性能優(yōu)勢(shì)，具有良好的性價(jià)比。如前一章所述該型號(hào)單片機(jī)有5個(gè)雙向I/O通道，能完成根本的數(shù)據(jù)輸入/輸出；3

54、個(gè)中斷引入端，8層的硬件堆棧，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部事件的實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理；一個(gè)8位可編程的預(yù)分頻定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)控制所必需的時(shí)間延時(shí)；除此之外該型號(hào)單片機(jī)還具有其它相類似單片機(jī)所不具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其自身帶有4路8位的A/D轉(zhuǎn)換通道，可以直接完成對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)含有128x8的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，一百萬次可反復(fù)擦寫的1k字節(jié)只讀程序存儲(chǔ)器(EEPROM)，能夠存儲(chǔ)簡單的中間結(jié)果和過程控制程序；與PIC16F877單片機(jī)一樣，低功耗模式空閑和掉電狀態(tài)，可以通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒，降低功耗13。4.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.2.1 概述控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，合理地使用上、

55、下位機(jī)的I/O接口資源實(shí)現(xiàn)對(duì)各單元電路的檢測(cè)與控制，完成上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)和命令的傳遞，實(shí)現(xiàn)控制結(jié)果的正常顯示。圖4-1為控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。控制系統(tǒng)主要是利用上位機(jī)PIC16F877負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要包括：控制命令的鍵盤輸入，激光器電源狀態(tài)的顯示，外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，與各個(gè)下位機(jī)信息的交換與控制等等。作為電源主回路充電電壓的檢測(cè)與控制在本設(shè)計(jì)中也利用PIC16F877來完成，主要是考慮該單片機(jī)內(nèi)部帶有10位的A/D轉(zhuǎn)換電路，而其他作為下位機(jī)使用的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器均是8位，其轉(zhuǎn)換精度與速度都受到限制，不能完全滿足要求。大功率晶體管的調(diào)制控制脈沖PWM，在選擇具體的單片機(jī)的時(shí)候，為減小設(shè)計(jì)本錢，在本方案中也是采用由PIC16F877輸出，具體主要是利用上位機(jī)所攜帶的定時(shí)器2的PWM工作模式，在RC1/RC2引腳輸出相應(yīng)的PWM調(diào)制脈沖來控制軟開關(guān)大功率晶體管的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路電源的檢測(cè)與控制。所有控制命令的輸入主要是利用4×4位的鍵盤來完成，鍵盤輸入的內(nèi)容主要有09，十個(gè)字符，啟動(dòng)控制鍵，參數(shù)設(shè)置鍵等等，鍵盤命令的輸入和所處狀態(tài)的檢測(cè)在設(shè)計(jì)中主要是由PIC16F877的PC口來完成。激光電源狀態(tài)的顯示采用PIC16F877單片機(jī)的PB口輸出，利用常用的