基于FPGA的脈沖光纖激光器功率控制系統設計
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3 功能模塊設計
系統絕大部分的控制功能都是在FPGA中實(shí)現。文中采用Alter公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA，選用型號為EP1C3T100。該款芯片共有2 910個(gè)邏輯單元、13個(gè)M4K的存儲模塊、1個(gè)鎖相環(huán)和65個(gè)可自定義I／O腳。
3．1 聲光調制器(AOM)驅動(dòng)控制模塊
當上位機打標軟件設定聲光調制器的重復頻率為20～200 kHz時(shí)，經(jīng)過(guò)上位機控制板卡數據處理后，產(chǎn)生與設定頻率相同的周期方波信號并加載到該控制系統中。當系統檢測到方波信號的上升沿到來(lái)時(shí)，將產(chǎn)生與該信號同步的窄脈沖信號，脈沖寬度根據重復輸入頻率的值在0．1～1μs之間變化。
實(shí)現原理：(1)利用FPGA精確的定時(shí)能力設計一數字頻率計，對上位機輸出的方波信號進(jìn)行頻率檢測，當檢測出被測信號的頻率后，利用FPGA精確的延遲技術(shù)，實(shí)現脈沖寬度可調的同步信號。如圖3所示，為測頻法的基本原理。在確定的閘門(mén)時(shí)間Tw內，記錄被測信號的變化周期數或脈沖個(gè)數Nx，則被測信號的頻率為Fx=Nx／Tw，當閘門(mén)的時(shí)間Tw為1 s時(shí)，測被測脈沖個(gè)數Nx就為被測信號的頻率。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/189607.htm
(2)該功能模塊在FPGA內部組成原理如圖4所示。被測信號的頻率輸入范圍為20～200 kHz，基準時(shí)鐘為FPGA的時(shí)鐘頻率100 MHz。因為基準時(shí)鐘的頻率為100 MHz并遠大于被測信號的頻率，所以以被測信號的一個(gè)周期作為閘門(mén)時(shí)間即T1=10 ns，在T1內對100 MHz的基準時(shí)鐘進(jìn)行計數，被測周期的個(gè)數為N1，則被測信號的周期Tw=T1·N1。FPGA根據被測信號的頻率，產(chǎn)生與其對應的同步脈沖信號，并加載到聲光調制器的輸入端。
(3)實(shí)驗結果如圖5所示，在不同的輸入頻率下示波器顯示的輸出波形。圖5(a)為在輸入重復頻率為200 kHz，輸出同步脈沖寬度為700 ns。圖5(b)為輸入重復頻率為58．8 kHz，輸出同步脈沖寬度為800 ns。從實(shí)驗結果可以看出，利用FPGA可以成功地實(shí)現隨輸入頻率的不同，而產(chǎn)生不同的同步脈沖信號，實(shí)現了設計要求。
3．2 狀態(tài)機模塊
在整個(gè)控制系統中存在大量的時(shí)序關(guān)系，為實(shí)現對時(shí)序高效、可靠的邏輯控制，采用有限狀態(tài)機的方怯來(lái)實(shí)現。有限狀態(tài)機有兩種基本類(lèi)型：米利(Mealy)機和摩爾(Moore)機，米利機的下一狀態(tài)和輸出取決于當前狀態(tài)和當前輸入；摩爾機的下一狀態(tài)取決于當前的狀態(tài)和當前的輸入，但其輸出僅取決于當前狀態(tài)。這兩類(lèi)有限狀態(tài)機的下一狀態(tài)和輸出都是由組合邏輯電路形成，其原理框圖如圖6所示。
FPGA根據狀態(tài)機的不同狀態(tài)，有序地實(shí)現相應的功能控制，例如對激光器電源加電的軟啟動(dòng)控制、平均輸出光功率的反饋控制、半導體激光器的開(kāi)啟與關(guān)斷時(shí)間控制和數據處理與顯示等功能。如圖7中(a)所示為半導體激光器由上電軟啟動(dòng)過(guò)程，首先由0電壓逐漸上升到工作電壓值，最后以脈沖輸出電壓的方式控制半導體激光器的工作狀態(tài)。圖7(b)所示為利用狀態(tài)機實(shí)現的部分時(shí)序控制仿真圖。圖中輸入信號pin19 _1為脈沖光纖激光器的出光和不出光控制信號，當pin19_1為高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)FPGA數據處理后，將產(chǎn)生3路控制信號mo、pa1、pa2，分別用于控制主振蕩級半導體激光器LD1和功率放大級的半導體激光器LD2及LD3開(kāi)啟與關(guān)斷狀態(tài)。
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