激光电源的单片机控制软、硬件设计

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《 工业控制计算机 》 !##$ 年 $% 卷第 & 期
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脚。当两端口争用同一地址单元时，由片内硬件电 路，根据两边的地址、片选、读写信号到达的先后顺 序， 裁决哪端口有使用权。 由此可知 !"#$ 信号可直接接至支持插入等待 时序的 %&" 如 ’(%)*+ 的引脚，此时无需软件支 持。在本卡中，由于 ’*%,- 没有 ./01$ 信号，当 ’*%,- 发出读写 2134)5- 命令时，锁存 !"#$. 信 号， 读 &)6 4 口的值就可判断刚才对 2134)5- 读写时 刚才询问不存 是否存在冲突。当 &)6 4 的值为 ) 时， 在冲突， 当 &)6 + 的值为 ( 时， 刚才询问存在冲突， 那 么就要重发读写 2134)5- 的命令。 双口 .07 另一侧 的 !"#$8 信号接到 2#0 总线的 0)( 脚 （ 29—%:— ，作为 ’*%,- 和 2#0 总线同时读写 2134)5.1$） 的同一个地址单元的的“ 忙闲” 状态线。当 ’*%,- 一 侧先行操作时， 2#0 一侧的 !"#$8 有效， 2#0 总线上 的 29—%:—.1$ 状态线被拉低，命令 %&" 插入等 待周期， 延时等待 ’*%,- 一侧完成读写操作后， 再进 行读写操作。 + 适配卡的软件设计 适配卡主要承担上位计算机和 %0; 节点之间 的数据转发任务，其软件设计也包括两部分：一是
上位 机
光电隔 离 故障检 测
5678 驱动器
56 78
激光 器
图+
系统控制电路原理图
系 统 人机 交 互 方 式 用 键 盘 、 !"# 显 示 或 通 过 可实现的主要工作原理 .1 *+-+ 通讯与上位机连接。 为： 由键盘对脉冲频率、 脉宽、 脉冲数进行设置， 可按 设置值输出 ’()， 可对输出的启动、 停止进行控制。 !"# 数 码 管 显 示 驱 动 器 选 用 了 9=)>+%<7 芯 片，它是一种 < 位 !"# 数码管驱动器，采用循环扫 描，内含 < ? < 静态 .6)。单片机将显示数据写入 .6) 后 ， 就 可 以 不 再 介 入 ， 其 它 显 示 工 作 由 9=)>+%<7 芯片自动完成 @- A 。 为了实现数据掉电保护，系统采用了 +0=B+ 芯 @- A 片 （ ， 该芯片是一个 +,4 ? < 位的两线串 ""’./)） 行 ""’./) 芯片。单片机按一定的时序和通讯协议 将要保存的数据写到芯片内， 再在需要的时候， 把数 据从中读出， 从而实现数据断电保护。 为了实现与上位机通讯，本系统使用了 该芯片与 <2=,% 通过串行通讯口实 )6C+-+ @- A 芯片， 现与上位机的通讯。看门狗电路以 <%-! @- A 芯片为核 心， 该芯片的特点是管脚接收到脉冲后， 内部的定时 器复位并开始重新计时，如果芯片超过 %3 4 秒还没 有收到脉冲的话， 内部定时计数就会溢出， 这时芯片 的 .1; 引脚就会发出连续的高电平从而使系统复 位，然后 <%-! 芯片又开始重新计数，从而可以实现 防止系统处在死机状态或程序受某种干扰而跑飞， 提 高了系统的抗干扰能力。 软件采用模块化的结构设计， 自顶向下， 逐步细 化， 利用子程序构成各模块。系统包含有定时中断服 务子程序、 .1 * +-+ 通讯中断服务子程序以及各类 四十多个子程序组成。因篇幅有限， 现仅给出主程序 流程图如图 - 所示。 0 调试结果
置频率 , 脉宽 , 脉冲数后保存
领域， 如激光切割、 激光打标、 激光调阻、 激光热处理 等， 而且还被作为新型的诊疗设备应用于医疗领域。 其中对整机起重要作用的激光电源仍然普遍采用普 通晶闸管调相整流方式， 并用多圈电位器手动调节输 出电流。由于系统的动态响应时间为几十毫秒， 对于 弧光放电的较高频率扰动， 这种方式无法做出准确的 响应，致使激光功率的随机波动一般大于 8F ，降低 了光束的品质， 限制了激光的应用场合。另外， 当加 工过程中需要调整激光输出的周期、 脉宽时， 只能由 手动调节， 而无法用计算机实现同步控制， 降低了加 工工艺、 加工精度和自动化程度。随着功率电子器件 的发展，尤其是 5G 年代出现的新型绝缘栅双极型晶 的出现， 再加上微机技术的不断提高和 体管 （ =HI!） 推广， 促进了微型计算机测量与控制技术的迅速发展 和广泛应用 J9 K 。我们将 LMN 开关电源技术与新型的 单片机控制引入激光电源， 能有效地提高整机的性能 价格比， 简化激光电源的硬件结构， 大大增强了整机 的自动化程度和功能扩展能力。从而可以方便的实 现对激光电源的计算机控制与管理。 为了满足医疗领域对激光器的要求， 本次采用了
预置 显示
单增 增加
减少 灭
&’(
上位机
键 盘
报警显示 变脉宽
串口 )* + %#% 监控
单减 变脉宽
Байду номын сангаас
先取预置值
频率 , 脉宽 , 脉冲数 报警 检测
-./0 恒流 控制
封锁
运行 指示 灭
点亮
启动 按预置值控制 脉冲数为 1 停止
灭 亮
激光器
看门狗
允许 上电 定时
报警指示
图9
数据流图
它反映了键盘、 报警、 OPQ、 LMN 输出、 BC 4 DED 通讯等各实体间的信号和数据流。有关主要按键、
现场总线技术及其应用， 清华大学出版社 J )***6 + )I 阳宪惠， 北京航空航天大 %0; 总线原理和应用系统设计， -I 邬宽明， 学出版社 J )**+6 )) 科学技术文献出版 5I 张旭东等， 2!7 微型机实用接口技术， 社 J )**5I ’ KI 213 1FLFMNCCL 1OP?QCGLJ 2GLCRDFLCB 1CS@PC 3CPNGOAO RT6 2GPJ )*** 电子技术应用 ,I U! 环境下对双口 .07 物理读写的实现， -(()I 5
负责完成 &% 机 &% 机端的应用程序接口 < 0&2 = 函数， 端与双口 .07 之间的通信， 可以采用可视化的编程 工具如 % > > !?@ABCD 编写。&% 机端软件主要包括 数据命令和 向适配卡上的双口 .07 发送控制命令、 请求数据命令，还将接收到的数据进行后处理如显 示、报表等；二是卡上单片机端的程序设计，负责单 片机与双口 .07 以及与 %0; 控制器之间的通信， 可以采用汇编语言 0#7,) 或 EDFGHA@G %,) 编写。 这 里软件设计的主要任务是：向 %0; 控制器转发来自 &% 机的命令，并由 %0; 控制器进一步转发到 %0; 节点；将由 %0; 控制器接收的来自 %0; 节点的数 据、 状态信息送到双口 .07。 参考文献
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!"# 等互锁与功能关系如下。 $ % & 显示： 用 !"# 显示输出频率、 输出脉宽、 输 出脉冲数。在待机或 ’() 输出运行状态下， 显示当 前的频率、 脉宽、 输出脉冲数值； 当处于预置状态时， 被预置的 !"# 显示块闪烁， 如果此时有增、 减键按下 的话， 将增、 减相应值； 当处于报警状态时， 显示器全 部显示“ ， 并且闪烁。 *” $ + & 键盘： 有预置、 增加、 减少、 启动、 停止五个按 键， 由此可设定频率， 脉宽， 脉冲数的预置值， 还可控制 启动和停止， 输出 ’() 电压。五个键优先级从高到低 依次是预置键、 运行键、 停止键、 增加键、 减少键。刚一 上电时， 预置键、 增加键、 减少键有效。上电 , 秒钟以 后，运行键有效，当系统处于运行状态时，停止键有 效。 当系统处于运行状态时， 如果有增、 减键按下， 可随 时对脉宽进行调整。 当增、 减键被连续按下的时候， 增、 减的速率会自动加快， 以便能尽快的达到需要的值。 $ - & 停电数据保持： 即对频率、 脉宽、 脉冲数预置 值及状态在启动时保存到 ""’./) 中，以便关机后 再开机仍保持原预置值。为保证突然断电造成读、 写 需每次存或取三组相同数据， 以 ""’./) 数据错误， 两组比较相同的值作为默认预置值。 $ 0 & 标准 .1+-+ 计算机通讯接口：本系统采用 由定时中断 % 的方 .1+-+ 标准接口，波特率为 23 45（ 式 + 决定） 。通讯协议是： 向上位机发出呼叫信号 66， 当上位机发回 77 信号的时候，系统向上位机发数据 系统发回77 及校验和； 当上位机发回 66 信号的时候， 表示同意接收数据，然后接收上位机发来的数据及校 验和8 并进行数据校验决定数据的取舍。应当注意的 是，在本系统中发送数据和接收数据完全是用了中断 形式，因此在数据交互过程中不会因为链路故障而影 响系统的正常运行。 从而实现上、 下位机的双向通讯。 $ , & 9:7; 恒流控制：它由高压点火单元和双电 流闭环控制环节组成。 其核心思想是采用恒流控制。 它根据反馈的实际电流值、 实际电流的变化率值、 给 定电流值来快速调节 9:7; 的通、断，达到快速的电 流内环控制。在内环基础上， 又增加了高精度电流外 环， 可对电流实施高精度控制。高压点火单元主要为 一个特制的高压包， 点火时， 输出约两万伏左右的高 压脉冲， 将灯管内的惰性气体击穿， 使工作电流大于 最低燃弧电流， 点燃灯管， 产生激光。 $ 4 & 其它： 具有报警检测与声光报警、 看门狗与 上电复位功能等。 硬件组成原理与软件设计