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血液分析儀激光系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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  • 添加日期:2020年10月08日

半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高,體積小,重量輕,可靠性高,價(jià)格低廉,便于內(nèi)調(diào)制等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用潛力大。由于激光器的這些優(yōu)良特性,因而越來(lái)越廣泛地被用于國(guó)防、科研、醫(yī)療、光通信、光纖通訊、集成光學(xué)、激光印刷、激光束掃描、光盤存貯技術(shù)等領(lǐng)域[1-2]。因此研制性能可靠、經(jīng)濟(jì)耐用的半導(dǎo)體激光系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。

由半導(dǎo)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(shí)微小電壓變化會(huì)導(dǎo)致激光管電流、器件參數(shù)變化較大;此外其供電電源紋波過(guò)大也會(huì)使得激光器輸出不穩(wěn)定[3]。這就對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源提出十分嚴(yán)格的要求:電源供電瞬間上升沿平滑;電源輸出電壓穩(wěn)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(dǎo)體激光器正常工作,目前激光驅(qū)動(dòng)電源大多采用以高頻、低開(kāi)關(guān)阻抗的MOSFET為核心的開(kāi)關(guān)電源等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。雖然其激光電源紋波小,但由于激光器價(jià)格昂貴、易受過(guò)電壓沖擊,不能滿足高功率激光器對(duì)得電、失電平滑控制的要求。而且目前多數(shù)激光電源功率偏小,機(jī)械調(diào)節(jié)操作性差,電壓上升和下降時(shí)間控制難度大,可靠性低[5]。

介紹一種基于FPGA的可調(diào)激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用開(kāi)關(guān)電源芯片的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合流行的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)和自動(dòng)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了激光器件驅(qū)動(dòng)電源實(shí)時(shí)、可調(diào)、穩(wěn)定、可靠供電。與現(xiàn)有激光系統(tǒng)相比,系統(tǒng)集成度高、驅(qū)動(dòng)電流大、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔,在血液分析儀的應(yīng)用中滿足其技術(shù)指標(biāo),提升了國(guó)產(chǎn)血液分析儀的競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)提高國(guó)內(nèi)醫(yī)療診斷水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 半導(dǎo)體激光及系統(tǒng)需求

血液分析儀采用散射光檢測(cè)技術(shù)對(duì)血細(xì)胞分析檢測(cè),該技術(shù)中的激光發(fā)射器為關(guān)鍵物料,其系統(tǒng)可靠性直接影響光源信號(hào),決定了血細(xì)胞檢測(cè)準(zhǔn)確性。為了消除光源間的微小差異,需要對(duì)激光的電源上升沿、保持、下降沿進(jìn)行持續(xù)調(diào)節(jié)。

技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)激光工作時(shí),額定功率:DC4~5V/1A;

(2)激光電源上電上升沿時(shí)間:≤5ms;

(3)激光電源斷電時(shí)電壓在20s≤T≤30s緩慢下降至1.26V并保持。

3 激光電源系統(tǒng)的組成及工作原理

可調(diào)激光電源控制系統(tǒng)包含以下幾個(gè)模塊:系統(tǒng)電源、FPGA控制器、軟開(kāi)關(guān)控制器、激光供電模塊、激光發(fā)射器。

其中系統(tǒng)電源為DC24V及降壓模塊組成,為FPGA和激光供電模塊供電。系統(tǒng)工作原理是:FPGA作為系統(tǒng)控制核心,首先控制軟開(kāi)關(guān)控制器導(dǎo)通,使得激光供電模塊得電;DCDC降壓轉(zhuǎn)換,然后FPGA發(fā)出數(shù)字信號(hào)控制數(shù)字可調(diào)電阻阻值,激光供電模塊穩(wěn)壓輸出;激光發(fā)射器得電,發(fā)出激光[6]。

光源發(fā)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(gè)將傳統(tǒng)照明的光輸出特性結(jié)合LED體積小、壽命持久、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)的產(chǎn)品,已被廣泛使用于一般照明、汽車照明、便攜式照明、數(shù)位影像、顯示屏背光和信號(hào)顯示等領(lǐng)域[7]。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)器件具有集成度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),以及可編程、并行處理的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于電子通信、航空航天等領(lǐng)域[8]。采用AlTERA公司Cyclone III系列之EP3C40F484芯片,芯片集成有39600個(gè)邏輯單元,4個(gè)PLL,331個(gè)外部獨(dú)立I/O,具有功耗低、集成度高等特點(diǎn)。該FPGA器件結(jié)合Altera公司的非易失的存儲(chǔ)器EPCS Flash芯片EPCS64N完成嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

為滿足血細(xì)胞分析儀激光源工作時(shí)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(shù)字可調(diào)電壓激光電源電路實(shí)現(xiàn)。電路采用穩(wěn)壓芯片LM2596和數(shù)字可調(diào)電位器AD5160搭建。其中LM2596穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片,轉(zhuǎn)換輸出5V時(shí),負(fù)載電流最大可達(dá)3A,完全滿足激光光源的大電流大功率需求。而采用AD5291數(shù)字電位器作為L(zhǎng)M2596電壓轉(zhuǎn)換的平衡電阻,再通過(guò)FPGA編程實(shí)時(shí)更改其阻值,從而滿足激光電源的特殊需求。

數(shù)字電位器AD5160為8位256通道數(shù)字電位器,具有調(diào)節(jié)精度高、工作壽命極長(zhǎng)、功耗小、無(wú)噪聲、無(wú)機(jī)械磨損、數(shù)據(jù)可讀寫、具有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器等優(yōu)點(diǎn)。電位器量程為100kΩ,阻值變化絕對(duì)精度為0.39kΩ。

U1為穩(wěn)壓芯片LM2596,U2為數(shù)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(shí)鐘、數(shù)據(jù)和選通信號(hào),如圖1所示。C1~C7優(yōu)質(zhì)電容,均為了盡可能減少瞬態(tài)干擾,并濾除低頻紋波。R1阻值為30kΩ,U2數(shù)字可變電阻的1腳和7腳之間的阻值為Ru2,則可計(jì)算出輸出電壓為1.25V。

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圖1 激光電源供電電路設(shè)計(jì)原理圖
Fig.1 The Design Schematic Diagram of Laser Power Supply Circuit

FPGA通過(guò)編程控制進(jìn)行SPI配置,配置數(shù)據(jù)0X00時(shí),由于數(shù)字可變電阻U2存在60Ω游標(biāo)接觸電阻,則電源輸出電壓約為1.253V。

當(dāng)配置數(shù)據(jù)為0XFF時(shí),U2阻值滿量程但實(shí)際比標(biāo)稱電阻小1LSB,即100kΩ-0.39kΩ=99.61kΩ,此時(shí)輸出最大電壓約為5.40V。

因此該電路,通過(guò)理論計(jì)算滿足激光發(fā)生器對(duì)供電電壓范圍(1.26~5)V可調(diào)的要求;而數(shù)字可變電阻AD5160阻值的變化以及其變化時(shí)間可利用FPGA通過(guò)SPI接口設(shè)置對(duì)其進(jìn)行延時(shí)控制,從而控制電源電壓上升時(shí)間及下降時(shí)間。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中FPGA工作時(shí)鐘為50MHz,用Verilog硬件描述語(yǔ)言軟件編程設(shè)計(jì),通過(guò)pll鎖相環(huán)倍頻,由分頻模塊輸出控制配置AD5160芯片電阻值參數(shù)[9]。

提出FPGA主控器與AD5160數(shù)字可調(diào)電阻器的SPI通訊。芯片 AD5160 有八個(gè)引腳,分別是 VDD、GND、CLK、SDI、CS、W、A、B,其工作時(shí)序,工作原理,如圖2所示。

主控制器FPGA發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到AD5160的CLK引腳,VDD供給+5V電源情況下,AD5160開(kāi)始工作。當(dāng)它的CS接收到FPGA發(fā)出低電平的下降沿,AD5160芯片通過(guò)SDI數(shù)據(jù)線采樣并進(jìn)行電阻值匹配。該數(shù)字信號(hào)上的8位數(shù)據(jù)高位在前(MSB),低位在后。當(dāng)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(shí)序圖
Fig.2 The SPI Configuration Sequence Diagram of AD5160

由圖2可知,AD5160電阻器的數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)鐘周期是8幀,而CS可由FPGA中斷拉高,SDI數(shù)據(jù)線處于高阻三態(tài),再重新開(kāi)始電阻匹配,等待下一個(gè)CS變?yōu)榈陀行У呐渲弥芷陂_(kāi)始。因此,F(xiàn)PGA控制AD5160電阻器的一個(gè)數(shù)據(jù)配置周期為8幀時(shí)鐘周期加上CS為高中斷時(shí)間tq(1個(gè)時(shí)鐘周期),即每個(gè)8位的數(shù)據(jù)采樣周期為9(8+1)個(gè)時(shí)鐘。主控制器FPGA的工作時(shí)鐘頻率為25M,則AD5160電阻器實(shí)際配置頻率為25M/9=2.78MSPS。

當(dāng)儀器需要激光電路工作時(shí),用FPGA控制器通過(guò)SPI設(shè)置U2的數(shù)據(jù)值為0XE6,此時(shí)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(jí)瞬間上升至5V;當(dāng)激光源工作結(jié)束時(shí),F(xiàn)PGA控制器通過(guò)SPI設(shè)置U2的數(shù)據(jù)值從0XE6遞減至0X00,遞減步長(zhǎng)為0X01,間隔時(shí)間為116ms,總時(shí)間為26.68s。

這種數(shù)字可調(diào)激光電源電路,通過(guò)穩(wěn)壓芯片LM2596電源電壓轉(zhuǎn)換的特性以及對(duì)數(shù)字可調(diào)變阻器AD5160的精確調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了電源電路(1.26~5)V電壓和電壓變化的精確調(diào)節(jié),滿足了激光源對(duì)供電電源的特殊要求。

6 軟件調(diào)試仿真

在QuartusII開(kāi)發(fā)環(huán)境中,創(chuàng)建signaltap邏輯分析儀文件,對(duì)配置AD5160芯片參數(shù)在線仿真,其中SMARTEN寄存器配置0XA0004數(shù)值波形圖[10],如圖3所示。

通過(guò)軟件編程SPI接口的數(shù)字可調(diào)配置電阻值模塊,F(xiàn)PGA輸出25MHz的時(shí)鐘信號(hào)控制模塊。圖3是邏輯分析儀SignalTap對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)SPI配置電阻值的調(diào)試圖,cs_5160是片選信號(hào),sck_5160是配置時(shí)鐘,sdo_5160是串行數(shù)據(jù),rdata[0..15]是FPGA對(duì)數(shù)字可調(diào)電阻AD5160配置的數(shù)值,以十進(jìn)制數(shù)表示。

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圖3 FPGA配置數(shù)字可調(diào)電阻值圖
Fig.3 The Diagram of Configuring Digital Adjustable Resistor Value by FPGA

其中rdata[0..15]數(shù)值為十進(jìn)制數(shù)230,則U2阻值可計(jì)算得:

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由此可知,實(shí)測(cè)激光電源電壓為(5.012±0.04)V波動(dòng)范圍內(nèi)。電源驅(qū)動(dòng)電路中,AD5160配置時(shí)鐘為25MHz,且充分利用FPGA可編程優(yōu)勢(shì),可微調(diào)實(shí)現(xiàn)激光電源電壓的調(diào)試以改善甚至解決光源不一致問(wèn)題,其電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度、速度、準(zhǔn)確性均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果及分析

完成系統(tǒng)電子線路設(shè)計(jì)后,加載FPGA固化程序,在驅(qū)動(dòng)電路板上運(yùn)行,F(xiàn)PGA完成對(duì)數(shù)字可調(diào)電阻AD5160的阻值配置,其中配置“230”十進(jìn)制數(shù)值(二進(jìn)制數(shù)值為11100110)實(shí)際波形如圖4所示。配置“93”十進(jìn)制數(shù)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(hào)CSN、配置時(shí)鐘SCK和輸入數(shù)據(jù)SDO,其理論值與實(shí)測(cè)值4.4V偏差僅約(-0.0054)V,上升時(shí)間約4ms,下降時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)字可調(diào)激光電源供電時(shí),上升時(shí)間僅小于5ms,F(xiàn)PGA控制電阻值穩(wěn)定,電源模塊穩(wěn)壓波形平滑,幾乎無(wú)毛刺,實(shí)測(cè)紋波小于50mV,激光電源斷電時(shí),電壓緩慢平滑下降且可調(diào),誤差完全符合設(shè)計(jì)要求。目前,該數(shù)字可調(diào)激光驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到五分類血液分析儀,實(shí)際運(yùn)行結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致,通過(guò)改變激光驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì),與其它激光驅(qū)動(dòng)電源相比,有效的提高了激光系統(tǒng)產(chǎn)生光源的可靠性和穩(wěn)定性。

8 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種基于FPGA的數(shù)字實(shí)時(shí)可調(diào)激光系統(tǒng)。系統(tǒng)創(chuàng)新的通過(guò)FPGA自由編程的特點(diǎn)來(lái)完成激光電源幅值、上升和下降時(shí)間的控制,對(duì)激光光源的可靠性和穩(wěn)定性有明顯的提高。該數(shù)字可調(diào)激光驅(qū)動(dòng)電源控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用到五分類血液分析儀,實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。