基于FPGA的脉冲光纤激光器功率控制系统设计

作者：时间：2013-05-14 来源：网络收藏

3 功能模块设计
系统绝大部分的控制功能都是在FPGA中实现。文中采用Alter公司生产的Cyclone系列FPGA，选用型号为EP1C3T100。该款芯片共有2 910个逻辑单元、13个M4K的存储模块、1个锁相环和65个可自定义I／O脚。
3．1 声光调制器(AOM)驱动控制模块
当上位机打标软件设定声光调制器的重复频率为20～200 kHz时，经过上位机控制板卡数据处理后，产生与设定频率相同的周期方波信号并加载到该控制系统中。当系统检测到方波信号的上升沿到来时，将产生与该信号同步的窄脉冲信号，脉冲宽度根据重复输入频率的值在0．1～1μs之间变化。
实现原理：(1)利用FPGA精确的定时能力设计一数字频率计，对上位机输出的方波信号进行频率检测，当检测出被测信号的频率后，利用FPGA精确的延迟技术，实现脉冲宽度可调的同步信号。如图3所示，为测频法的基本原理。在确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数或脉冲个数Nx，则被测信号的频率为Fx=Nx／Tw，当闸门的时间Tw为1 s时，测被测脉冲个数Nx就为被测信号的频率。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/189607.htm

(2)该功能模块在FPGA内部组成原理如图4所示。被测信号的频率输入范围为20～200 kHz，基准时钟为FPGA的时钟频率100 MHz。因为基准时钟的频率为100 MHz并远大于被测信号的频率，所以以被测信号的一个周期作为闸门时间即T1=10 ns，在T1内对100 MHz的基准时钟进行计数，被测周期的个数为N1，则被测信号的周期Tw=T1·N1。FPGA根据被测信号的频率，产生与其对应的同步脉冲信号，并加载到声光调制器的输入端。

(3)实验结果如图5所示，在不同的输入频率下示波器显示的输出波形。图5(a)为在输入重复频率为200 kHz，输出同步脉冲宽度为700 ns。图5(b)为输入重复频率为58．8 kHz，输出同步脉冲宽度为800 ns。从实验结果可以看出，利用FPGA可以成功地实现随输入频率的不同，而产生不同的同步脉冲信号，实现了设计要求。

3．2 状态机模块
在整个控制系统中存在大量的时序关系，为实现对时序高效、可靠的逻辑控制，采用有限状态机的方怯来实现。有限状态机有两种基本类型：米利(Mealy)机和摩尔(Moore)机，米利机的下一状态和输出取决于当前状态和当前输入；摩尔机的下一状态取决于当前的状态和当前的输入，但其输出仅取决于当前状态。这两类有限状态机的下一状态和输出都是由组合逻辑电路形成，其原理框图如图6所示。

FPGA根据状态机的不同状态，有序地实现相应的功能控制，例如对激光器电源加电的软启动控制、平均输出光功率的反馈控制、半导体激光器的开启与关断时间控制和数据处理与显示等功能。如图7中(a)所示为半导体激光器由上电软启动过程，首先由0电压逐渐上升到工作电压值，最后以脉冲输出电压的方式控制半导体激光器的工作状态。图7(b)所示为利用状态机实现的部分时序控制仿真图。图中输入信号pin19 _1为脉冲光纤激光器的出光和不出光控制信号，当pin19_1为高电平时，经过FPGA数据处理后，将产生3路控制信号mo、pa1、pa2，分别用于控制主振荡级半导体激光器LD1和功率放大级的半导体激光器LD2及LD3开启与关断状态。