半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高，體積小，重量輕，可靠性高，價(jià)格低廉，便于內(nèi)調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用潛力大。由于激光器的這些優(yōu)良特性，因而越來(lái)越廣泛地被用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信、光纖通訊、集成光學(xué)、激光印刷、激光束掃描、光盤存貯技術(shù)等領(lǐng)域[1-2]。因此研制性能可靠、經(jīng)濟(jì)耐用的半導(dǎo)體激光系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。
由半導(dǎo)體激光管（LD）電壓和電流特性可知：其抗上電沖擊的能力差，工作時(shí)微小電壓變化會(huì)導(dǎo)致激光管電流、器件參數(shù)變化較大；此外其供電電源紋波過(guò)大也會(huì)使得激光器輸出不穩(wěn)定[3]。這就對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源提出十分嚴(yán)格的要求：電源供電瞬間上升沿平滑；電源輸出電壓穩(wěn)定可靠，紋波小，功率大；斷電電源緩慢平滑失電。
為了保證半導(dǎo)體激光器正常工作，目前激光驅(qū)動(dòng)電源大多采用以高頻、低開(kāi)關(guān)阻抗的MOSFET為核心的開(kāi)關(guān)電源等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。雖然其激光電源紋波小，但由于激光器價(jià)格昂貴、易受過(guò)電壓沖擊，不能滿足高功率激光器對(duì)得電、失電平滑控制的要求。而且目前多數(shù)激光電源功率偏小，機(jī)械調(diào)節(jié)操作性差，電壓上升和下降時(shí)間控制難度大，可靠性低[5]。
介紹一種基于FPGA的可調(diào)激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用開(kāi)關(guān)電源芯片的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合流行的FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了激光器件驅(qū)動(dòng)電源實(shí)時(shí)、可調(diào)、穩(wěn)定、可靠供電。與現(xiàn)有激光系統(tǒng)相比，系統(tǒng)集成度高、驅(qū)動(dòng)電流大、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，在血液分析儀的應(yīng)用中滿足其技術(shù)指標(biāo)，提升了國(guó)產(chǎn)血液分析儀的競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)提高國(guó)內(nèi)醫(yī)療診斷水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
血液分析儀采用散射光檢測(cè)技術(shù)對(duì)血細(xì)胞分析檢測(cè)，該技術(shù)中的激光發(fā)射器為關(guān)鍵物料，其系統(tǒng)可靠性直接影響光源信號(hào)，決定了血細(xì)胞檢測(cè)準(zhǔn)確性。為了消除光源間的微小差異，需要對(duì)激光的電源上升沿、保持、下降沿進(jìn)行持續(xù)調(diào)節(jié)。
技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）激光工作時(shí)，額定功率：DC4～5V/1A；
（2）激光電源上電上升沿時(shí)間：≤5ms；
（3）激光電源斷電時(shí)電壓在20s≤T≤30s緩慢下降至1.26V并保持。
可調(diào)激光電源控制系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)電源、FPGA控制器、軟開(kāi)關(guān)控制器、激光供電模塊、激光發(fā)射器。
其中系統(tǒng)電源為DC24V及降壓模塊組成，為FPGA和激光供電模塊供電。系統(tǒng)工作原理是：FPGA作為系統(tǒng)控制核心，首先控制軟開(kāi)關(guān)控制器導(dǎo)通，使得激光供電模塊得電；DCDC降壓轉(zhuǎn)換，然后FPGA發(fā)出數(shù)字信號(hào)控制數(shù)字可調(diào)電阻阻值，激光供電模塊穩(wěn)壓輸出；激光發(fā)射器得電，發(fā)出激光[6]。
光源發(fā)射器作為核心部件，選擇Philips Lumileds公司的專利LUXEON V高效能光源。它是第一個(gè)將傳統(tǒng)照明的光輸出特性結(jié)合LED體積小、壽命持久、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品，已被廣泛使用于一般照明、汽車照明、便攜式照明、數(shù)位影像、顯示屏背光和信號(hào)顯示等領(lǐng)域[7]。
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）器件具有集成度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，以及可編程、并行處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電子通信、航空航天等領(lǐng)域[8]。采用AlTERA公司Cyclone III系列之EP3C40F484芯片，芯片集成有39600個(gè)邏輯單元，4個(gè)PLL，331個(gè)外部獨(dú)立I/O，具有功耗低、集成度高等特點(diǎn)。該FPGA器件結(jié)合Altera公司的非易失的存儲(chǔ)器EPCS Flash芯片EPCS64N完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
為滿足血細(xì)胞分析儀激光源工作時(shí)1A的大電流（功率為4W），且電源供電瞬間升壓、斷電（20～30）s逐漸降壓至1.26V的特殊要求，本課題采用一種數(shù)字可調(diào)電壓激光電源電路實(shí)現(xiàn)。電路采用穩(wěn)壓芯片LM2596和數(shù)字可調(diào)電位器AD5160搭建。其中LM2596穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換輸出5V時(shí)，負(fù)載電流最大可達(dá)3A，完全滿足激光光源的大電流大功率需求。而采用AD5291數(shù)字電位器作為L(zhǎng)M2596電壓轉(zhuǎn)換的平衡電阻，再通過(guò)FPGA編程實(shí)時(shí)更改其阻值，從而滿足激光電源的特殊需求。
數(shù)字電位器AD5160為8位256通道數(shù)字電位器，具有調(diào)節(jié)精度高、工作壽命極長(zhǎng)、功耗小、無(wú)噪聲、無(wú)機(jī)械磨損、數(shù)據(jù)可讀寫、具有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器等優(yōu)點(diǎn)。電位器量程為100kΩ，阻值變化絕對(duì)精度為0.39kΩ。
U1為穩(wěn)壓芯片LM2596，U2為數(shù)字可變電阻（VR）器件AD5160，Laser_clk、Laser_sdi和 Lase_cs分別是 FPGA 與 U2的SPI串行配置接口的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和選通信號(hào)，如圖1所示。C1～C7優(yōu)質(zhì)電容，均為了盡可能減少瞬態(tài)干擾，并濾除低頻紋波。R1阻值為30kΩ，U2數(shù)字可變電阻的1腳和7腳之間的阻值為Ru2，則可計(jì)算出輸出電壓為1.25V。
圖1 激光電源供電電路設(shè)計(jì)原理圖
Fig.1 The Design Schematic Diagram of Laser Power Supply Circuit
FPGA通過(guò)編程控制進(jìn)行SPI配置，配置數(shù)據(jù)0X00時(shí)，由于數(shù)字可變電阻U2存在60Ω游標(biāo)接觸電阻，則電源輸出電壓約為1.253V。
當(dāng)配置數(shù)據(jù)為0XFF時(shí)，U2阻值滿量程但實(shí)際比標(biāo)稱電阻小1LSB，即100kΩ-0.39kΩ=99.61kΩ，此時(shí)輸出最大電壓約為5.40V。
因此該電路，通過(guò)理論計(jì)算滿足激光發(fā)生器對(duì)供電電壓范圍（1.26～5）V可調(diào)的要求；而數(shù)字可變電阻AD5160阻值的變化以及其變化時(shí)間可利用FPGA通過(guò)SPI接口設(shè)置對(duì)其進(jìn)行延時(shí)控制，從而控制電源電壓上升時(shí)間及下降時(shí)間。
系統(tǒng)中FPGA工作時(shí)鐘為50MHz，用Verilog硬件描述語(yǔ)言軟件編程設(shè)計(jì)，通過(guò)pll鎖相環(huán)倍頻，由分頻模塊輸出控制配置AD5160芯片電阻值參數(shù)[9]。
提出FPGA主控器與AD5160數(shù)字可調(diào)電阻器的SPI通訊。芯片 AD5160 有八個(gè)引腳，分別是 VDD、GND、CLK、SDI、CS、W、A、B，其工作時(shí)序，工作原理，如圖2所示。
主控制器FPGA發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到AD5160的CLK引腳，VDD供給+5V電源情況下，AD5160開(kāi)始工作。當(dāng)它的CS接收到FPGA發(fā)出低電平的下降沿，AD5160芯片通過(guò)SDI數(shù)據(jù)線采樣并進(jìn)行電阻值匹配。該數(shù)字信號(hào)上的8位數(shù)據(jù)高位在前（MSB），低位在后。當(dāng)AD5160的CS變高電平，其電阻值保持。
圖2 AD5160的SPI工作時(shí)序圖
Fig.2 The SPI Configuration Sequence Diagram of AD5160
由圖2可知，AD5160電阻器的數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)鐘周期是8幀，而CS可由FPGA中斷拉高，SDI數(shù)據(jù)線處于高阻三態(tài)，再重新開(kāi)始電阻匹配，等待下一個(gè)CS變?yōu)榈陀行У呐渲弥芷陂_(kāi)始。因此，F(xiàn)PGA控制AD5160電阻器的一個(gè)數(shù)據(jù)配置周期為8幀時(shí)鐘周期加上CS為高中斷時(shí)間tq（1個(gè)時(shí)鐘周期），即每個(gè)8位的數(shù)據(jù)采樣周期為9（8+1）個(gè)時(shí)鐘。主控制器FPGA的工作時(shí)鐘頻率為25M，則AD5160電阻器實(shí)際配置頻率為25M/9=2.78MSPS。
當(dāng)儀器需要激光電路工作時(shí)，用FPGA控制器通過(guò)SPI設(shè)置U2的數(shù)據(jù)值為0XE6，此時(shí)U2的阻值約為90K，激光電源電路輸出電壓Vout的值為5V，電壓以微秒級(jí)瞬間上升至5V；當(dāng)激光源工作結(jié)束時(shí)，F(xiàn)PGA控制器通過(guò)SPI設(shè)置U2的數(shù)據(jù)值從0XE6遞減至0X00，遞減步長(zhǎng)為0X01，間隔時(shí)間為116ms，總時(shí)間為26.68s。
這種數(shù)字可調(diào)激光電源電路，通過(guò)穩(wěn)壓芯片LM2596電源電壓轉(zhuǎn)換的特性以及對(duì)數(shù)字可調(diào)變阻器AD5160的精確調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了電源電路（1.26～5）V電壓和電壓變化的精確調(diào)節(jié)，滿足了激光源對(duì)供電電源的特殊要求。
在QuartusII開(kāi)發(fā)環(huán)境中，創(chuàng)建signaltap邏輯分析儀文件，對(duì)配置AD5160芯片參數(shù)在線仿真，其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數(shù)值波形圖[10]，如圖3所示。
通過(guò)軟件編程SPI接口的數(shù)字可調(diào)配置電阻值模塊，F(xiàn)PGA輸出25MHz的時(shí)鐘信號(hào)控制模塊。圖3是邏輯分析儀SignalTap對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)SPI配置電阻值的調(diào)試圖，cs_5160是片選信號(hào)，sck_5160是配置時(shí)鐘，sdo_5160是串行數(shù)據(jù)，rdata［0..15］是FPGA對(duì)數(shù)字可調(diào)電阻AD5160配置的數(shù)值，以十進(jìn)制數(shù)表示。
圖3 FPGA配置數(shù)字可調(diào)電阻值圖
Fig.3 The Diagram of Configuring Digital Adjustable Resistor Value by FPGA
其中rdata［0..15］數(shù)值為十進(jìn)制數(shù)230，則U2阻值可計(jì)算得：
由此可知，實(shí)測(cè)激光電源電壓為（5.012±0.04）V波動(dòng)范圍內(nèi)。電源驅(qū)動(dòng)電路中，AD5160配置時(shí)鐘為25MHz，且充分利用FPGA可編程優(yōu)勢(shì)，可微調(diào)實(shí)現(xiàn)激光電源電壓的調(diào)試以改善甚至解決光源不一致問(wèn)題，其電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度、速度、準(zhǔn)確性均滿足設(shè)計(jì)要求。
完成系統(tǒng)電子線路設(shè)計(jì)后，加載FPGA固化程序，在驅(qū)動(dòng)電路板上運(yùn)行，F(xiàn)PGA完成對(duì)數(shù)字可調(diào)電阻AD5160的阻值配置，其中配置“230”十進(jìn)制數(shù)值（二進(jìn)制數(shù)值為11100110）實(shí)際波形如圖4所示。配置“93”十進(jìn)制數(shù)值后的電壓上電、斷電波形，從上向下分別是AD5160芯片的選通信號(hào)CSN、配置時(shí)鐘SCK和輸入數(shù)據(jù)SDO，其理論值與實(shí)測(cè)值4.4V偏差僅約（-0.0054）V，上升時(shí)間約4ms，下降時(shí)間約為26.8s[12]，如圖5、圖6所示。
圖4 AD5160芯片阻值配置波形圖
Fig.4 The Waveform Figure of Configuring AD5160 Resistor Value
圖5 激光電源上電后上升沿波形圖
Fig.5 The Waveform Figure of Voltage Rising after Laser Power Up
圖6 激光電源斷電下降沿波形圖
Fig.6 The Waveform Figure of Voltage Dropping after Laser Power Off
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字可調(diào)激光電源供電時(shí)，上升時(shí)間僅小于5ms，F(xiàn)PGA控制電阻值穩(wěn)定，電源模塊穩(wěn)壓波形平滑，幾乎無(wú)毛刺，實(shí)測(cè)紋波小于50mV，激光電源斷電時(shí)，電壓緩慢平滑下降且可調(diào)，誤差完全符合設(shè)計(jì)要求。目前，該數(shù)字可調(diào)激光驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到五分類血液分析儀，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致，通過(guò)改變激光驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，與其它激光驅(qū)動(dòng)電源相比，有效的提高了激光系統(tǒng)產(chǎn)生光源的可靠性和穩(wěn)定性。
設(shè)計(jì)一種基于FPGA的數(shù)字實(shí)時(shí)可調(diào)激光系統(tǒng)。系統(tǒng)創(chuàng)新的通過(guò)FPGA自由編程的特點(diǎn)來(lái)完成激光電源幅值、上升和下降時(shí)間的控制，對(duì)激光光源的可靠性和穩(wěn)定性有明顯的提高。該數(shù)字可調(diào)激光驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到五分類血液分析儀，實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。