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血液分析儀激光系統的改進設計與應用

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  • 添加日期:2020年10月08日

半導體激光器具有轉換效率高,體積小,重量輕,可靠性高,價格低廉,便于內調制等優點,其應用潛力大。由于激光器的這些優良特性,因而越來越廣泛地被用于國防、科研、醫療、光通信、光纖通訊、集成光學、激光印刷、激光束掃描、光盤存貯技術等領域[1-2]。因此研制性能可靠、經濟耐用的半導體激光系統具有很高的實用價值。

由半導體激光管(LD)電壓和電流特性可知:其抗上電沖擊的能力差,工作時微小電壓變化會導致激光管電流、器件參數變化較大;此外其供電電源紋波過大也會使得激光器輸出不穩定[3]。這就對半導體激光器的驅動電源提出十分嚴格的要求:電源供電瞬間上升沿平滑;電源輸出電壓穩定可靠,紋波小,功率大;斷電電源緩慢平滑失電。

為了保證半導體激光器正常工作,目前激光驅動電源大多采用以高頻、低開關阻抗的MOSFET為核心的開關電源等技術進行設計[4]。雖然其激光電源紋波小,但由于激光器價格昂貴、易受過電壓沖擊,不能滿足高功率激光器對得電、失電平滑控制的要求。而且目前多數激光電源功率偏小,機械調節操作性差,電壓上升和下降時間控制難度大,可靠性低[5]

介紹一種基于FPGA的可調激光系統。該系統充分利用開關電源芯片的優點,結合流行的FPGA(現場可編程邏輯門陣列)和自動控制技術,實現了激光器件驅動電源實時、可調、穩定、可靠供電。與現有激光系統相比,系統集成度高、驅動電流大、設計簡潔,在血液分析儀的應用中滿足其技術指標,提升了國產血液分析儀的競爭力,對提高國內醫療診斷水平具有重要現實意義。

2 半導體激光及系統需求

血液分析儀采用散射光檢測技術對血細胞分析檢測,該技術中的激光發射器為關鍵物料,其系統可靠性直接影響光源信號,決定了血細胞檢測準確性。為了消除光源間的微小差異,需要對激光的電源上升沿、保持、下降沿進行持續調節。

技術指標如下:

(1)激光工作時,額定功率:DC4~5V/1A;

(2)激光電源上電上升沿時間:≤5ms;

(3)激光電源斷電時電壓在20s≤T≤30s緩慢下降至1.26V并保持。

3 激光電源系統的組成及工作原理

可調激光電源控制系統包含以下幾個模塊:系統電源、FPGA控制器、軟開關控制器、激光供電模塊、激光發射器。

其中系統電源為DC24V及降壓模塊組成,為FPGA和激光供電模塊供電。系統工作原理是:FPGA作為系統控制核心,首先控制軟開關控制器導通,使得激光供電模塊得電;DCDC降壓轉換,然后FPGA發出數字信號控制數字可調電阻阻值,激光供電模塊穩壓輸出;激光發射器得電,發出激光[6]

光源發射器作為核心部件,選擇Philips Lumileds公司的專利LUXEON V高效能光源。它是第一個將傳統照明的光輸出特性結合LED體積小、壽命持久、節省能源等優點的產品,已被廣泛使用于一般照明、汽車照明、便攜式照明、數位影像、顯示屏背光和信號顯示等領域[7]

現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件具有集成度高、功耗低、可靠性高等優點,以及可編程、并行處理的獨特優勢,廣泛應用于電子通信、航空航天等領域[8]。采用AlTERA公司Cyclone III系列之EP3C40F484芯片,芯片集成有39600個邏輯單元,4個PLL,331個外部獨立I/O,具有功耗低、集成度高等特點。該FPGA器件結合Altera公司的非易失的存儲器EPCS Flash芯片EPCS64N完成嵌入式系統的設計。

4 硬件電路設計

為滿足血細胞分析儀激光源工作時1A的大電流(功率為4W),且電源供電瞬間升壓、斷電(20~30)s逐漸降壓至1.26V的特殊要求,本課題采用一種數字可調電壓激光電源電路實現。電路采用穩壓芯片LM2596和數字可調電位器AD5160搭建。其中LM2596穩壓轉換芯片,轉換輸出5V時,負載電流最大可達3A,完全滿足激光光源的大電流大功率需求。而采用AD5291數字電位器作為LM2596電壓轉換的平衡電阻,再通過FPGA編程實時更改其阻值,從而滿足激光電源的特殊需求。

數字電位器AD5160為8位256通道數字電位器,具有調節精度高、工作壽命極長、功耗小、無噪聲、無機械磨損、數據可讀寫、具有配置寄存器及數據寄存器等優點。電位器量程為100kΩ,阻值變化絕對精度為0.39kΩ。

U1為穩壓芯片LM2596,U2為數字可變電阻(VR)器件AD5160,Laser_clk、Laser_sdi和 Lase_cs分別是 FPGA 與 U2的SPI串行配置接口的時鐘、數據和選通信號,如圖1所示。C1~C7優質電容,均為了盡可能減少瞬態干擾,并濾除低頻紋波。R1阻值為30kΩ,U2數字可變電阻的1腳和7腳之間的阻值為Ru2,則可計算出輸出電壓為1.25V。

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圖1 激光電源供電電路設計原理圖
Fig.1 The Design Schematic Diagram of Laser Power Supply Circuit

FPGA通過編程控制進行SPI配置,配置數據0X00時,由于數字可變電阻U2存在60Ω游標接觸電阻,則電源輸出電壓約為1.253V。

當配置數據為0XFF時,U2阻值滿量程但實際比標稱電阻小1LSB,即100kΩ-0.39kΩ=99.61kΩ,此時輸出最大電壓約為5.40V。

因此該電路,通過理論計算滿足激光發生器對供電電壓范圍(1.26~5)V可調的要求;而數字可變電阻AD5160阻值的變化以及其變化時間可利用FPGA通過SPI接口設置對其進行延時控制,從而控制電源電壓上升時間及下降時間。

5 系統軟件設計

系統中FPGA工作時鐘為50MHz,用Verilog硬件描述語言軟件編程設計,通過pll鎖相環倍頻,由分頻模塊輸出控制配置AD5160芯片電阻值參數[9]

提出FPGA主控器與AD5160數字可調電阻器的SPI通訊。芯片 AD5160 有八個引腳,分別是 VDD、GND、CLK、SDI、CS、W、A、B,其工作時序,工作原理,如圖2所示。

主控制器FPGA發送時鐘信號發送到AD5160的CLK引腳,VDD供給+5V電源情況下,AD5160開始工作。當它的CS接收到FPGA發出低電平的下降沿,AD5160芯片通過SDI數據線采樣并進行電阻值匹配。該數字信號上的8位數據高位在前(MSB),低位在后。當AD5160的CS變高電平,其電阻值保持。

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圖2 AD5160的SPI工作時序圖
Fig.2 The SPI Configuration Sequence Diagram of AD5160

由圖2可知,AD5160電阻器的數據發送的時鐘周期是8幀,而CS可由FPGA中斷拉高,SDI數據線處于高阻三態,再重新開始電阻匹配,等待下一個CS變為低有效的配置周期開始。因此,FPGA控制AD5160電阻器的一個數據配置周期為8幀時鐘周期加上CS為高中斷時間tq(1個時鐘周期),即每個8位的數據采樣周期為9(8+1)個時鐘。主控制器FPGA的工作時鐘頻率為25M,則AD5160電阻器實際配置頻率為25M/9=2.78MSPS。

當儀器需要激光電路工作時,用FPGA控制器通過SPI設置U2的數據值為0XE6,此時U2的阻值約為90K,激光電源電路輸出電壓Vout的值為5V,電壓以微秒級瞬間上升至5V;當激光源工作結束時,FPGA控制器通過SPI設置U2的數據值從0XE6遞減至0X00,遞減步長為0X01,間隔時間為116ms,總時間為26.68s。

這種數字可調激光電源電路,通過穩壓芯片LM2596電源電壓轉換的特性以及對數字可調變阻器AD5160的精確調節,從而實現了電源電路(1.26~5)V電壓和電壓變化的精確調節,滿足了激光源對供電電源的特殊要求。

6 軟件調試仿真

在QuartusII開發環境中,創建signaltap邏輯分析儀文件,對配置AD5160芯片參數在線仿真,其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數值波形圖[10],如圖3所示。

通過軟件編程SPI接口的數字可調配置電阻值模塊,FPGA輸出25MHz的時鐘信號控制模塊。圖3是邏輯分析儀SignalTap對FPGA實現SPI配置電阻值的調試圖,cs_5160是片選信號,sck_5160是配置時鐘,sdo_5160是串行數據,rdata[0..15]是FPGA對數字可調電阻AD5160配置的數值,以十進制數表示。

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圖3 FPGA配置數字可調電阻值圖
Fig.3 The Diagram of Configuring Digital Adjustable Resistor Value by FPGA

其中rdata[0..15]數值為十進制數230,則U2阻值可計算得:

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由此可知,實測激光電源電壓為(5.012±0.04)V波動范圍內。電源驅動電路中,AD5160配置時鐘為25MHz,且充分利用FPGA可編程優勢,可微調實現激光電源電壓的調試以改善甚至解決光源不一致問題,其電源驅動系統精度、速度、準確性均滿足設計要求。

7 實驗運行效果及分析

完成系統電子線路設計后,加載FPGA固化程序,在驅動電路板上運行,FPGA完成對數字可調電阻AD5160的阻值配置,其中配置“230”十進制數值(二進制數值為11100110)實際波形如圖4所示。配置“93”十進制數值后的電壓上電、斷電波形,從上向下分別是AD5160芯片的選通信號CSN、配置時鐘SCK和輸入數據SDO,其理論值與實測值4.4V偏差僅約(-0.0054)V,上升時間約4ms,下降時間約為26.8s[12],如圖5、圖6所示。

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

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圖5 激光電源上電后上升沿波形圖
Fig.5 The Waveform Figure of Voltage Rising after Laser Power Up

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圖6 激光電源斷電下降沿波形圖
Fig.6 The Waveform Figure of Voltage Dropping after Laser Power Off

實驗結果表明,數字可調激光電源供電時,上升時間僅小于5ms,FPGA控制電阻值穩定,電源模塊穩壓波形平滑,幾乎無毛刺,實測紋波小于50mV,激光電源斷電時,電壓緩慢平滑下降且可調,誤差完全符合設計要求。目前,該數字可調激光驅動電源控制系統已成功應用到五分類血液分析儀,實際運行結果與實驗結果完全一致,通過改變激光驅動電源的設計,與其它激光驅動電源相比,有效的提高了激光系統產生光源的可靠性和穩定性。

8 結論

設計一種基于FPGA的數字實時可調激光系統。系統創新的通過FPGA自由編程的特點來完成激光電源幅值、上升和下降時間的控制,對激光光源的可靠性和穩定性有明顯的提高。該數字可調激光驅動電源控制系統已成功應用到五分類血液分析儀,實際應用中取得了良好的效果。