基于网络的分布控制式半导体激光器阵列

　　本项目基于Cerebot32M*4板子作为系统的主控制器，设计一种全新架构的大功率半导体激光器系统，针对大功率激光二极管的工作特点，设置相应的传感器，并将这些传感器采集的信号统一送至PIC32控制板，有PIC32单片机控制各个激光模块的工作状态。具有创新性的是，利用网络模块可将PIC单片机处理的信号在网页上实时监控，并且，当某个激光模块出现故障时，系统能够检测出故障并自动启动备用模块，保证了整个激光器系统的正常工作。广泛应用与工业加工，医疗等行业。

　　1.系统整体架构：

　　本系统以Digilent公司的Cerebot32M*4开发板作为主控核心，通过外部扩展的Pmod网络模块实现组网与远程控制功能。针对大功率半导体激光器的工作特点，设置了数字式的电流，电压采样传感器，功率采样传感器，单总线温度传感器。控制部分包括了软启动电路，TEC制冷温控模块以及激光二极管控制电路。上述传感器将采集信号传送给PIC32控制器，由其将信号处理后输出相应的控制信号，并将工作状态参量上传网络，实现远程监控。系统原理框图如图一。

　　2.主要模块介绍

　　2.1 激光二极管电流噪声传感模块

　　传统的激光二极管阵列装置的驱动电路，可以精确控制电流，但电路设计复杂，维护不便，且又仅靠模拟技术实现，无法与外部处理器进行数据交换，不能很好地监控激光管的工作状况。该装置采用PIC32单片机和和扩展传感器结合，当半导体激光器串联群中有一个或多个损坏，可以采用测量噪声的方式来检验和发现，并及时报警，从而确保整个系统工作的连续性、可靠性。

　　2.1.1电流噪声巡检原理

　　随着半导体激光器在各个领域的广泛应用，其自身的噪声性能也越来越受到人们的重视。对半导体激光器的噪声特性进行研究，不仅可以研究器件产生噪声的机理，制备低噪声器件，而且也可以依据器件的噪声大小对器件进行可靠性评估。激光器的电噪声主要是由于载流子的涨落引起的，引起载流子的涨落因素很多，如注入电流的涨落，载流子的复合和产生速率的涨落，光子发射和吸收速率的涨落，以及光增益涨落。通过对激光的电噪声测量，可以监测激光器的诸多参数和性能。作为应用而言，要求激光二极管应具有最低的电噪声和最高的稳定性，因为驱动电流的大小不仅会造成激光二极管的噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。

　　本系统中LD光功率采样模拟信号、电流采样信号及温度传感信号经放大后由A/D转换为数字信号，PIC32单片机接受此信号进行运算处理，反馈控制信号经D/A

　　转换后再分别送往激光器电流源电路，形成光功率的闭环控制。一旦有一个或多个激光二极管损坏，通过噪声巡检的方法及时发现并报警，同时通过PIC单片机自动启用备用激光二极管模块。保证系统的正常工作。

　　因为该系统需要控制多个数模转换器D/A及模数转换器A/D协调工作，如果由单片机直接控制，必然占用其过多的资源，因为单片机还需要控制显示、键盘和各种接口的工作，进而加重其工作负担。采用外部扩展A/D、D/A很好地解决了这个问题。

　　2.1.2软件流程图

　　2.2 基于TCP/IP协议的网络监控模块

　　TCP/IP通信协议以其高效、可靠、通用性获得了世界范围的广泛使用。

　　本项目采用PIC系列PIC32单片机，在其中通过软件方法实现TCP/IP协议的通信功能，通过进一步的扩展，在其上搭建起HTTP，FTP，TELNET等高级网络功能。

　　利用TCP/IP协议中的UDP、IP、ARP及简单的应用层协议实现单片机的网络互连，提高数据传输的速度，保证数据传输的正确性，同时扩展数据传输的有效半径。

　　TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互连起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。参考开放系统互连(OSI)模型，TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链路层。

　　(1)应用层

　　网络应用层要有一个定义清晰的会话过程，如通常所说的Http、Ftp、Telnet等。我们用单片机系统传递来自Ethernet和数据终端的数据，应用层只对大的数据报作打包拆报处理。

　　(2)传输层

　　传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等，实现该层协议的传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。

　　(3)网络层

　　网络层让信息可以发送到相邻的TCP/IP网络上的任一主机上，IP协议就是该层中传送数据的机制。同时建立网络间的互连，应提供ARP地址解析协议，实现从IP地址到数据链路物理地址的映像。

　　(4)链路层

　　由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议并属于TCP/IP协议组。这部分功能由单片机控制网卡芯片实现。

本项目由四个模块构成，分别为网络接口模块、单片