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血液分析仪激光系统的改进设计与应用

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  • 添加日期:2020年10月08日

半导体激光器具有转换效率高,体积小,重量轻,可靠性高,价格低廉,便于内调制等优点,其应用潜力大。由于激光器的这些优良特性,因而越来越广泛地被用于国防、科研、医疗、光通信、光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描、光盘存贮技术等领域[1-2]。因此研制性能可靠、经济耐用的半导体激光系统具有很高的实用价值。

由半导体激光管(LD)电压和电流特性可知:其抗上电冲击的能力差,工作时微小电压变化会导致激光管电流、器件参数变化较大;此外其供电电源纹波过大也会使得激光器输出不稳定[3]。这就对半导体激光器的驱动电源提出十分严格的要求:电源供电瞬间上升沿平滑;电源输出电压稳定可靠,纹波小,功率大;断电电源缓慢平滑失电。

为了保证半导体激光器正常工作,目前激光驱动电源大多采用以高频、低开关阻抗的MOSFET为核心的开关电源等技术进行设计[4]。虽然其激光电源纹波小,但由于激光器价格昂贵、易受过电压冲击,不能满足高功率激光器对得电、失电平滑控制的要求。而且目前多数激光电源功率偏小,机械调节操作性差,电压上升和下降时间控制难度大,可靠性低[5]

介绍一种基于FPGA的可调激光系统。该系统充分利用开关电源芯片的优点,结合流行的FPGA(现场可编程逻辑门阵列)和自动控制技术,实现了激光器件驱动电源实时、可调、稳定、可靠供电。与现有激光系统相比,系统集成度高、驱动电流大、设计简洁,在血液分析仪的应用中满足其技术指标,提升了国产血液分析仪的竞争力,对提高国内医疗诊断水平具有重要现实意义。

2 半导体激光及系统需求

血液分析仪采用散射光检测技术对血细胞分析检测,该技术中的激光发射器为关键物料,其系统可靠性直接影响光源信号,决定了血细胞检测准确性。为了消除光源间的微小差异,需要对激光的电源上升沿、保持、下降沿进行持续调节。

技术指标如下:

(1)激光工作时,额定功率:DC4~5V/1A;

(2)激光电源上电上升沿时间:≤5ms;

(3)激光电源断电时电压在20s≤T≤30s缓慢下降至1.26V并保持。

3 激光电源系统的组成及工作原理

可调激光电源控制系统包含以下几个模块:系统电源、FPGA控制器、软开关控制器、激光供电模块、激光发射器。

其中系统电源为DC24V及降压模块组成,为FPGA和激光供电模块供电。系统工作原理是:FPGA作为系统控制核心,首先控制软开关控制器导通,使得激光供电模块得电;DCDC降压转换,然后FPGA发出数字信号控制数字可调电阻阻值,激光供电模块稳压输出;激光发射器得电,发出激光[6]

光源发射器作为核心部件,选择Philips Lumileds公司的专利LUXEON V高效能光源。它是第一个将传统照明的光输出特性结合LED体积小、寿命持久、节省能源等优点的产品,已被广泛使用于一般照明、汽车照明、便携式照明、数位影像、显示屏背光和信号显示等领域[7]

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件具有集成度高、功耗低、可靠性高等优点,以及可编程、并行处理的独特优势,广泛应用于电子通信、航空航天等领域[8]。采用AlTERA公司Cyclone III系列之EP3C40F484芯片,芯片集成有39600个逻辑单元,4个PLL,331个外部独立I/O,具有功耗低、集成度高等特点。该FPGA器件结合Altera公司的非易失的存储器EPCS Flash芯片EPCS64N完成嵌入式系统的设计。

4 硬件电路设计

为满足血细胞分析仪激光源工作时1A的大电流(功率为4W),且电源供电瞬间升压、断电(20~30)s逐渐降压至1.26V的特殊要求,本课题采用一种数字可调电压激光电源电路实现。电路采用稳压芯片LM2596和数字可调电位器AD5160搭建。其中LM2596稳压转换芯片,转换输出5V时,负载电流最大可达3A,完全满足激光光源的大电流大功率需求。而采用AD5291数字电位器作为LM2596电压转换的平衡电阻,再通过FPGA编程实时更改其阻值,从而满足激光电源的特殊需求。

数字电位器AD5160为8位256通道数字电位器,具有调节精度高、工作寿命极长、功耗小、无噪声、无机械磨损、数据可读写、具有配置寄存器及数据寄存器等优点。电位器量程为100kΩ,阻值变化绝对精度为0.39kΩ。

U1为稳压芯片LM2596,U2为数字可变电阻(VR)器件AD5160,Laser_clk、Laser_sdi和 Lase_cs分别是 FPGA 与 U2的SPI串行配置接口的时钟、数据和选通信号,如图1所示。C1~C7优质电容,均为了尽可能减少瞬态干扰,并滤除低频纹波。R1阻值为30kΩ,U2数字可变电阻的1脚和7脚之间的阻值为Ru2,则可计算出输出电压为1.25V。

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图1 激光电源供电电路设计原理图
Fig.1 The Design Schematic Diagram of Laser Power Supply Circuit

FPGA通过编程控制进行SPI配置,配置数据0X00时,由于数字可变电阻U2存在60Ω游标接触电阻,则电源输出电压约为1.253V。

当配置数据为0XFF时,U2阻值满量程但实际比标称电阻小1LSB,即100kΩ-0.39kΩ=99.61kΩ,此时输出最大电压约为5.40V。

因此该电路,通过理论计算满足激光发生器对供电电压范围(1.26~5)V可调的要求;而数字可变电阻AD5160阻值的变化以及其变化时间可利用FPGA通过SPI接口设置对其进行延时控制,从而控制电源电压上升时间及下降时间。

5 系统软件设计

系统中FPGA工作时钟为50MHz,用Verilog硬件描述语言软件编程设计,通过pll锁相环倍频,由分频模块输出控制配置AD5160芯片电阻值参数[9]

提出FPGA主控器与AD5160数字可调电阻器的SPI通讯。芯片 AD5160 有八个引脚,分别是 VDD、GND、CLK、SDI、CS、W、A、B,其工作时序,工作原理,如图2所示。

主控制器FPGA发送时钟信号发送到AD5160的CLK引脚,VDD供给+5V电源情况下,AD5160开始工作。当它的CS接收到FPGA发出低电平的下降沿,AD5160芯片通过SDI数据线采样并进行电阻值匹配。该数字信号上的8位数据高位在前(MSB),低位在后。当AD5160的CS变高电平,其电阻值保持。

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图2 AD5160的SPI工作时序图
Fig.2 The SPI Configuration Sequence Diagram of AD5160

由图2可知,AD5160电阻器的数据发送的时钟周期是8帧,而CS可由FPGA中断拉高,SDI数据线处于高阻三态,再重新开始电阻匹配,等待下一个CS变为低有效的配置周期开始。因此,FPGA控制AD5160电阻器的一个数据配置周期为8帧时钟周期加上CS为高中断时间tq(1个时钟周期),即每个8位的数据采样周期为9(8+1)个时钟。主控制器FPGA的工作时钟频率为25M,则AD5160电阻器实际配置频率为25M/9=2.78MSPS。

当仪器需要激光电路工作时,用FPGA控制器通过SPI设置U2的数据值为0XE6,此时U2的阻值约为90K,激光电源电路输出电压Vout的值为5V,电压以微秒级瞬间上升至5V;当激光源工作结束时,FPGA控制器通过SPI设置U2的数据值从0XE6递减至0X00,递减步长为0X01,间隔时间为116ms,总时间为26.68s。

这种数字可调激光电源电路,通过稳压芯片LM2596电源电压转换的特性以及对数字可调变阻器AD5160的精确调节,从而实现了电源电路(1.26~5)V电压和电压变化的精确调节,满足了激光源对供电电源的特殊要求。

6 软件调试仿真

在QuartusII开发环境中,创建signaltap逻辑分析仪文件,对配置AD5160芯片参数在线仿真,其中SMARTEN寄存器配置0XA0004数值波形图[10],如图3所示。

通过软件编程SPI接口的数字可调配置电阻值模块,FPGA输出25MHz的时钟信号控制模块。图3是逻辑分析仪SignalTap对FPGA实现SPI配置电阻值的调试图,cs_5160是片选信号,sck_5160是配置时钟,sdo_5160是串行数据,rdata[0..15]是FPGA对数字可调电阻AD5160配置的数值,以十进制数表示。

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图3 FPGA配置数字可调电阻值图
Fig.3 The Diagram of Configuring Digital Adjustable Resistor Value by FPGA

其中rdata[0..15]数值为十进制数230,则U2阻值可计算得:

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由此可知,实测激光电源电压为(5.012±0.04)V波动范围内。电源驱动电路中,AD5160配置时钟为25MHz,且充分利用FPGA可编程优势,可微调实现激光电源电压的调试以改善甚至解决光源不一致问题,其电源驱动系统精度、速度、准确性均满足设计要求。

7 实验运行效果及分析

完成系统电子线路设计后,加载FPGA固化程序,在驱动电路板上运行,FPGA完成对数字可调电阻AD5160的阻值配置,其中配置“230”十进制数值(二进制数值为11100110)实际波形如图4所示。配置“93”十进制数值后的电压上电、断电波形,从上向下分别是AD5160芯片的选通信号CSN、配置时钟SCK和输入数据SDO,其理论值与实测值4.4V偏差仅约(-0.0054)V,上升时间约4ms,下降时间约为26.8s[12],如图5、图6所示。

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图4 AD5160芯片阻值配置波形图
Fig.4 The Waveform Figure of Configuring AD5160 Resistor Value

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图5 激光电源上电后上升沿波形图
Fig.5 The Waveform Figure of Voltage Rising after Laser Power Up

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图6 激光电源断电下降沿波形图
Fig.6 The Waveform Figure of Voltage Dropping after Laser Power Off

实验结果表明,数字可调激光电源供电时,上升时间仅小于5ms,FPGA控制电阻值稳定,电源模块稳压波形平滑,几乎无毛刺,实测纹波小于50mV,激光电源断电时,电压缓慢平滑下降且可调,误差完全符合设计要求。目前,该数字可调激光驱动电源控制系统已成功应用到五分类血液分析仪,实际运行结果与实验结果完全一致,通过改变激光驱动电源的设计,与其它激光驱动电源相比,有效的提高了激光系统产生光源的可靠性和稳定性。

8 结论

设计一种基于FPGA的数字实时可调激光系统。系统创新的通过FPGA自由编程的特点来完成激光电源幅值、上升和下降时间的控制,对激光光源的可靠性和稳定性有明显的提高。该数字可调激光驱动电源控制系统已成功应用到五分类血液分析仪,实际应用中取得了良好的效果。