[發明專利]基于SoC FPGA的半導體激光器功率控制系統

有效

• 申請號: 202010094098.7
• 申請日: 2020-02-15
• 公開（公告）號: CN111276866B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 張麗;盧新碩;劉欣;鄧霄;崔麗琴;韓國華;林洪太
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01S5/068
• 分類號: H01S5/068;H01S5/0683
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明基于SoC FPGA的半導體激光器功率控制系統，在半導體激光器驅動電路的輸出端通過達林頓管與半導體激光器相連；達林頓管的發射極通過采樣電阻接地，在達林頓管與采樣電阻之間設置監測端口，當監測端口處的采樣電壓與理想驅動電壓的差值大于設定值時，片上協同處理器將采樣電壓與當前半導體激光器的驅動電壓的差值作為偏移量通過位置式PID計算，得到的運算結果返回FPGA，FPGA控制DA轉換器產生修正電壓，加法器對驅動電壓和修正電壓求和，得到新的驅動電壓并輸入半導體激光器驅動電路，使得半導體激光器實際驅動電流達到輸出所需功率的精準值。

技術領域

本發明基于SoC FPGA的半導體激光器驅動系統控制方法，屬于半導體激光器控制技術領域。

背景技術

電流是激光器驅動系統中的重要控制參數之一，在高精度激光半導體控制領域，一般通過電流驅動激光半導體發出特定功率的激光，同時在電流控制系統中，開展具有高效控制能力的PID控制方式，也是增進激光半導體工作穩定性的重要手段。因此設計具有高效、高精度的激光半導體驅動系統是光電控制領域的迫切需求。

與傳統的通用控制計算芯片相比，異構架構的SoC FPGA(System on Chip，片上系統)是一個有專用目標的集成電路，包含完整系統并有嵌入式軟件的全部內容，與傳統的通用控制芯片相比，異構架構具有高性能的顯著優點，通過AXI總線將可編程處理單元和片上嵌入式系統進行橋接，可進行高速的數據分析與計算，極大的提升了激光器驅動系統的控制速度與穩定性。

現有激光半導體驅動電流控制將監控回路的輸出電流作為PID控制的輸入信號，并通過PID算法對輸入信號進行分析計算，該方法可以有效抑制激光半導體驅動電流的溫漂特性，但是存在著控制速度慢的缺點，無法從時效上滿足光學儀器的控制要求。此外，激光半導體的驅動電流多采用MOS管驅動的方式，功率控制精度較低。

發明內容

本發明的目的在于克服了現有技術存在的不足，提出基于SoC FPGA的半導體激光器功率控制系統，實現高精度、高穩定性的半導體激光器的驅動控制，實現所需功率激光的穩定輸出。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于SoC FPGA的半導體激光器功率控制系統，包括：達林頓管、采樣電阻、AD轉換器、SoC FPGA、DA轉換器、加法器和半導體激光器驅動電路，

半導體激光器驅動電路的輸出端通過達林頓管與半導體激光器相連；達林頓管的發射極通過采樣電阻接地，在達林頓管與采樣電阻之間設置監測端口，監測端口與AD轉換器輸入端相連，AD轉換器的控制端與SoC FPGA相連，SoC FPGA包括FPGA和片上協同處理器，片上協同處理器與FPGA之間通過AXI總線相連，SoC FPGA的輸出端與DA轉換器的控制端相連，DA轉換器的輸出端分別通過第一轉換通道和第二轉換通道與加法器相連，加法器與半導體激光器驅動電路相連；第一轉換通道用來輸送控制半導體激光器的驅動電壓，第二轉換通道用來輸送控制半導體激光器的修正電壓；

當監測端口處的采樣電壓與理想驅動電壓的差值大于設定值時，片上協同處理器將采樣電壓與當前半導體激光器的驅動電壓的差值作為偏移量通過位置式PID計算，得到的運算結果返回FPGA，FPGA控制DA轉換器產生修正電壓，加法器對驅動電壓和修正電壓求和，得到新的驅動電壓并輸入半導體激光器驅動電路，使得半導體激光器實際驅動電流達到輸出所需功率的精準值。

進一步的，所述半導體激光器驅動電路包括RC濾波器、電壓跟隨器和PID控制回路，電壓跟隨器同相輸入端與所述加法器的輸出端相連，電壓跟隨器反相輸入端與RC濾波器相連，RC濾波器與PID控制回路相連，PID控制回路用于將所述達林頓管的基極電壓控制在設定的電壓閾值。

進一步的，所述位置式PID計算的計算公式為:其中，K_p為比例控制系數，為積分控制系數，T_D為微分控制系數，u(t)為PID的運算結果。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果。