1.系統整體架構：

本系統以Cerebot32M*4開(kāi)發(fā)板作為主控核心，通過(guò)外部擴展的Pmod網(wǎng)絡(luò )模塊實(shí)現組網(wǎng)與遠程控制功能。針對大功率半導體激光器的工作特點(diǎn)，設置了數字式的電流，電壓采樣傳感器，功率采樣傳感器，單總線(xiàn)溫度傳感器?？刂撇糠职塑泦?dòng)電路，TEC制冷溫控模塊以及激光二極管控制電路。上述傳感器將采集信號傳送給PIC32控制器，由其將信號處理后輸出相應的控制信號，并將工作狀態(tài)參量上傳網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現遠程監控。系統原理框圖如圖一。

2.主要模塊介紹

2.1 激光二極管電流噪聲傳感模塊

傳統的激光二極管陣列裝置的驅動(dòng)電路，可以精確控制電流，但電路設計復雜，維護不便，且又僅靠模擬技術(shù)實(shí)現，無(wú)法與外部處理器進(jìn)行數據交換，不能很好地監控激光管的工作狀況。該裝置采用PIC32單片機和和擴展傳感器結合，當半導體激光器串聯(lián)群中有一個(gè)或多個(gè)損壞，可以采用測量噪聲的方式來(lái)檢驗和發(fā)現，并及時(shí)報警，從而確保整個(gè)系統工作的連續性、可靠性。

2.1.1電流噪聲巡檢原理

隨著(zhù)半導體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應用，其自身的噪聲性能也越來(lái)越受到人們的重視。對半導體激光器的噪聲特性進(jìn)行研究，不僅可以研究器件產(chǎn)生噪聲的機理，制備低噪聲器件，而且也可以依據器件的噪聲大小對器件進(jìn)行可靠性評估。激光器的電噪聲主要是由于載流子的漲落引起的，引起載流子的漲落因素很多，如注入電流的漲落，載流子的復合和產(chǎn)生速率的漲落，光子發(fā)射和吸收速率的漲落，以及光增益漲落。通過(guò)對激光的電噪聲測量，可以監測激光器的諸多參數和性能。作為應用而言，要求激光二極管應具有最低的電噪聲和最高的穩定性，因為驅動(dòng)電流的大小不僅會(huì )造成激光二極管的噪聲，還會(huì )造成輸出波長(cháng)光譜線(xiàn)寬的展寬。

本系統中LD光功率采樣模擬信號、電流采樣信號及溫度傳感信號經(jīng)放大后由A／D轉換為數字信號，PIC32單片機接受此信號進(jìn)行運算處理，反饋控制信號經(jīng)D／A
轉換后再分別送往激光器電流源電路，形成光功率的閉環(huán)控制。一旦有一個(gè)或多個(gè)激光二極管損壞，通過(guò)噪聲巡檢的方法及時(shí)發(fā)現并報警，同時(shí)通過(guò)PIC單片機自動(dòng)啟用備用激光二極管模塊。保證系統的正常工作。

因為該系統需要控制多個(gè)數模轉換器D／A及模數轉換器A／D協(xié)調工作，如果由單片機直接控制，必然占用其過(guò)多的資源，因為單片機還需要控制顯示、鍵盤(pán)和各種接口的工作，進(jìn)而加重其工作負擔。采用外部擴展A／D、D／A很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

2.1.2軟件流程圖

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2.2 基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )監控模塊

TCP/IP通信協(xié)議以其高效、可靠、通用性獲得了世界范圍的廣泛使用。

本項目采用PIC系列PIC32單片機，在其中通過(guò)軟件方法實(shí)現TCP/IP協(xié)議的通信功能，通過(guò)進(jìn)一步的擴展，在其上搭建起HTTP，FTP，TELNET等高級網(wǎng)絡(luò )功能。

利用TCP/IP協(xié)議中的UDP、IP、ARP及簡(jiǎn)單的應用層協(xié)議實(shí)現單片機的網(wǎng)絡(luò )互連，提高數據傳輸的速度，保證數據傳輸的正確性，同時(shí)擴展數據傳輸的有效半徑。

TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統互連起來(lái)的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數據的準確快速傳輸。參考開(kāi)放系統互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層、鏈路層。

（1）應用層
網(wǎng)絡(luò )應用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì )話(huà)過(guò)程，如通常所說(shuō)的Http、Ftp、Telnet等。我們用單片機系統傳遞來(lái)自Ethernet和數據終端的數據，應用層只對大的數據報作打包拆報處理。
（2）傳輸層
傳輸層讓網(wǎng)絡(luò )程序通過(guò)明確定義的通道及某些特性獲取數據，如定義網(wǎng)絡(luò )連接的端口號等，實(shí)現該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數據協(xié)議UDP。
（3）網(wǎng)絡(luò )層
網(wǎng)絡(luò )層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數據的機制。同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò )間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現從IP地址到數據鏈路物理地址的映像。
（4）鏈路層
由控制同一物理網(wǎng)絡(luò )上的不同機器間數據傳送的底層協(xié)議組成，實(shí)現這一層協(xié)議的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。這部分功能由單片機控制網(wǎng)卡芯片實(shí)現。
本項目由四個(gè)模塊構成，分別為網(wǎng)絡(luò )接口模塊、單片機控制模塊、受控開(kāi)關(guān)模塊和電源模塊。下面對這四部分進(jìn)行具體說(shuō)明。

2.2.1網(wǎng)絡(luò )接口模塊

網(wǎng)絡(luò )接口采用HR911105A網(wǎng)絡(luò )變壓器來(lái)獲取10BASE-T網(wǎng)線(xiàn)中的信號，采用Microchip公司的enc28j60網(wǎng)絡(luò )控制芯片來(lái)實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )數據的獲取和處理。嵌入式系統開(kāi)發(fā)可選的獨立以太網(wǎng)控制器大都是為個(gè)人計算機系統設計的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。這些器件不僅結構復雜，體積龐大，且比較昂貴。目前市場(chǎng)上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過(guò)80引腳，而符合IEEE 802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供相應的功能，又可以大大簡(jiǎn)化相關(guān)設計，減小空間。

ENC28J60以太網(wǎng)控制器的主要功能包括：

符合IEEE 802.3：內置10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件（PHY）及媒介接入控制器（MAC），可按業(yè)界標準的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數據；

可編程過(guò)濾功能：特殊的過(guò)濾器，包括Microchip的可編程模式匹配過(guò)濾器，可自動(dòng)評價(jià)、接受或拒收Magic Packet™、單播（Unicast）、多播（Multicast）或廣播（Broadcast）信息包，以減輕主控單片機的處理負荷；

10Mbps SPI接口：業(yè)界標準的串行通訊端口，低至18引腳的8位單片機也具有網(wǎng)絡(luò )連接功能；

可編程8 KB雙端口SRAM緩沖器：以高效的方式進(jìn)行信息包的存儲、檢索和修改，以減輕主控單片機的內存負荷。該緩沖存儲器提供了靈活可靠的數據管理機制。

Enc28j60與單片機的典型接法如下：

2.2.2單片機控制模塊

PIC32單片機借助SPI通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò )控制芯片enc28j60進(jìn)行通信。SPI總線(xiàn)系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò )控制器、LCD顯示驅動(dòng)器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線(xiàn)系統可直接與各個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線(xiàn)：串行時(shí)鐘線(xiàn)（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線(xiàn)MISO、主機輸出/從機輸入數據線(xiàn)MOSI和低電平有效的從機選擇線(xiàn)SS。借助SPI通信協(xié)議，單片機可以高速地與enc28j60進(jìn)行通信。由于本項目實(shí)現的是TCP/IP通信，而建立起TCP連接最主要的用途是實(shí)現HTTP通信。單片機接收到的待處理數據會(huì )經(jīng)過(guò)數據處理函數，若檢測到有TCP連接建立的請求，則進(jìn)行相應處理。當建立了TCP連接后，就可以通過(guò)TCP連接發(fā)送和接收HTTP通信數據。

TCP連接建立的“三次握手”流程和有限狀態(tài)機如下：

PIC32單片機在接收到正確的HTTP GET請求后，便進(jìn)行相應處理，返回用戶(hù)需要的網(wǎng)頁(yè)，這樣就實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)單的web server應用。
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2.2.3受控開(kāi)關(guān)模塊

受控開(kāi)關(guān)是借助固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現使用單片機控制大型用電器這一功能的。固態(tài)繼電器的高電壓開(kāi)關(guān)串接在插排導線(xiàn)中，單片機的IO口通過(guò)三極管放大電路接繼電器的低電壓開(kāi)關(guān)，實(shí)現低電壓控制高電壓開(kāi)關(guān)的功能。

2.3 溫度傳感與控制模塊

溫度是大功率激光二極管性能惡化、壽命縮短的主要因素，溫度升高不僅使輸出功率下降，并且影響波長(cháng)的穩定性。本系統設置了閉環(huán)溫度控制系統，精確地控制了工作溫度，使激光二極管輸出穩定的波長(cháng)。以PIC32單片機為控制核心，采用高精度的單總線(xiàn)的數字溫度計DS18B20，結合TEC半導體制冷器，對半導體制冷器的驅動(dòng)采用脈寬調制，來(lái)實(shí)現對半導體激光器精密溫度的控制

2.3.1 溫度傳感器介紹

DS18B20是美國DALLAS公司采用單總線(xiàn)技術(shù)生產(chǎn)的一種新型數字式溫度傳感器．所渭單總線(xiàn)技術(shù)是將地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、控制線(xiàn)合為一根信號線(xiàn)，實(shí)現了一根數據線(xiàn)上進(jìn)行艤向數據傳輸，最大限度地節省了通訊線(xiàn)的數量，使系統功能的完整化、構成的簡(jiǎn)單化成為可能．這類(lèi)溫度傳感器的輸入和輸出均為數字信號，且以串行方式與外部連接，因此可以很容易地集成到應用系統中，簡(jiǎn)化系統的設計．DSl8820是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，通過(guò)對振蕩周期的計數來(lái)實(shí)現溫度測量的．為了擴大測溫范圍和提高分辨率，它使用了一個(gè)低溫系數振蕩器和一個(gè)高溫系數振蕩器來(lái)分別進(jìn)行計數，并采用非線(xiàn)性累加器等電路來(lái)改善線(xiàn)性，故此DSl820有良好的特性。

2.3.2制冷模塊介紹

系統中我們采用半導體制冷器作為致冷元件．它是依據帕爾帖效應制作的，具有體積小、重量輕、制冷效率高等特點(diǎn)．特別適用于有限空間的致冷．由于半導體致冷器具有當改變組件的工作電流極性時(shí)，它既可致冷又可以致熱；改變通過(guò)組件電流強度便可調整致冷功率的特點(diǎn)．所以使用它我們能很容易地控制溫控電路的溫控方式(輸入極性正接一制冷；輸入極性反接一制熱)以及制冷／制熱量的大?。诒鞠到y中我們采用兩片半導體致冷器TEC- 12707，一片用于制冷，一片用于制熱．它們的最大工作電壓為15 4 v．最大工作電流為6 A，吸熱量為65w。

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