本發明涉及激光器驅動，具體涉及一種基于硬件pid反饋的激光器驅動系統及多終端協同控制方法。
背景技術：
1、激光技術作為現代科技的重要支柱，已廣泛應用于工業制造、通信、醫療、國防等諸多領域。激光器作為激光技術的核心器件，其性能直接影響著整個激光系統的穩定性和可靠性。而激光器驅動系統作為激光器的“動力源泉”，其控制精度、響應速度和穩定性至關重要。
2、近年來，基于數字信號處理器(dsp)、微控制單元(mcu)和現場可編程門陣列(fpga)等數字控制技術的激光器驅動系統逐漸成為研究熱點。數字控制技術具有控制算法靈活、抗干擾能力強等優點，為實現高性能激光器驅動系統提供了新的解決方案。然而，現有的數字控制方案仍存在一些挑戰：驅動系統動態響應慢，數字控制方案必須需要經過采樣、計算、輸出等環節，這些環節相互依賴，無法進行并行加速，因而會對整個驅動系統引入較長的控制延遲，影響系統的動態響應速度；控制參數優化難，為了提高控制精度、優化控制效果，需要對控制方案的相關參數進行優化，而控制參數與算法執行周期緊密關聯，越復雜的控制方案其參數優化的難度就越大。相比于模擬控制，數字控制方案降低了更改控制參數的難度，但并沒有降低參數優化本身的難度。
3、除此之外，現有的激光器驅動系統缺乏關于激光器的多終端協同控制。目前大多激光器驅動系統可以通過串口屏、上位機或其它控制終端來單獨控制，但串口屏、上位機與其它多個控制終端同時控制激光器驅動系統時，存在控制終端的數據不同步、指令沖突、響應優先級不一致、設備識別與權限缺乏管理等問題，亟需解決。
技術實現思路
1、針對背景技術中提到的上述的一至多個問題，本發明提出了一種基于硬件pid反饋的激光器驅動系統及多終端協同控制方法。本技術方案利用硬件pid控制器實現高精度、快速響應的電流和溫度控制，并結合自定義的多終端協同控制方法實現激光器驅動系統的多終端實時協同控制，提高了激光器驅動系統的控制性能和響應速度。
2、本發明提供的具體技術方案如下：
3、第一方面，本發明提供一種基于硬件pid反饋的激光器驅動系統，其特征在于，包括主控模塊、電源模塊、監控模塊、串口屏模塊、上位機模塊、擴展模塊、激光器模塊、恒流驅動模塊、電流采樣模塊、電流pid反饋模塊、光功率反饋模塊、恒溫驅動模塊、溫度采樣模塊、溫度pid反饋模塊。
4、所述主控模塊，包括一至多個主控芯片及其正常工作所需的供電電路、存儲電路和其它外圍電路，用于與所述激光器驅動系統內部的各個模塊通信，處理所述激光器驅動系統內部的各個模塊反饋的數據，存儲所述激光器驅動系統運行時的系統配置數據。主控模塊的供電電路獨立于電源模塊，可以對電源模塊的電源輸出進行實時控制。主控模塊上電工作后首先關閉電源模塊的所有電源輸出，以保證所述激光器驅動系統的安全。主控模塊可以關閉電流pid反饋模塊的輸出，直接控制恒流驅動模塊的輸入信號，得到所述激光器驅動系統中關于激光器模塊恒流調節部分的開環響應數據，從而降低調試電流pid反饋模塊的pid參數的時間和難度。
5、所述電源模塊，包括多路dc-dc降壓電路、ldo降壓電路、電壓基準源電路以及多級電源輸入輸出保護電路，各個電路的電源輸出默認關閉，并可以由所述主控模塊獨立控制。電源模塊為監控模塊、串口屏模塊、激光器模塊、恒流驅動模塊、電流采樣模塊、電流pid反饋模塊、光功率反饋模塊、恒溫驅動模塊、溫度采樣模塊、溫度pid反饋模塊提供安全穩定的電源。
6、所述監控模塊，包括電壓、電流、溫度檢測電路，實時監測各模塊運行參數并將監測數據發送給所述主控模塊。當檢測到電壓、電流、溫度異常時，所述主控模塊觸發對應報警信號，并同步反饋至所述串口屏模塊及所述上位機模塊。
7、所述串口屏模塊，包括具有人機交互界面(hmi)的觸控屏，支持觸摸輸入與實時數據顯示，通過spi總線、i2c總線或uart總線與所述主控模塊雙向通信，用于設定和查看激光器的電流和溫度、查看所述激光器驅動系統的實時功耗、報警信號。
8、所述上位機模塊，包括上位機和與所述激光器驅動系統適配的應用程序，通過usb總線或無線通信技術(包括但不限于藍牙、wi-fi)與所述主控模塊雙向通信。所述上位機模塊旨在提供比所述串口屏模塊更全面的控制功能、實時監控功能、數據存儲與分析功能、報警功能。
9、所述擴展模塊，包括擴展通信接口電路，用戶可以根據實際需要將所述激光器驅動系統作為一個子系統集成至其它系統中，并通過所述擴展通信接口電路實現與所述激光器驅動系統的底層通信。
10、所述激光器模塊：包括激光器、光電探測器(pd)和熱電制冷器(tec)。pd器件和tec器件可以與激光器集成，也可以放置于激光器外部。
11、所述恒流驅動模塊，包括基于金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)的壓控線性電流源電路。所述恒流驅動模塊依據所述電流pid反饋模塊的輸出電流調節信號提供激光器工作的電流。
12、所述電流采樣模塊，包括采樣電阻和精密電流檢測放大電路，采樣電阻與激光器串聯以采樣激光器的電流，通過精密電流檢測放大電路得到放大后的電流信號，用于向所述主控模塊和所述電流pid反饋模塊反饋激光器的電流。
13、所述電流pid反饋模塊，包括數模轉換(dac)電路和基于運算放大器和電容、電阻構成的硬件pid反饋電路，用于根據所述電流采樣模塊輸出的激光器電流信號和所述dac電路的輸出電壓信號進行比例、積分、微分運算，輸出電流調節信號，并將該電流調節信號輸出至所述恒流驅動模塊。優選地，可以根據受控的激光器模塊的電流控制環路的傳遞函數特性判斷是否取消微分運算以節省硬件成本和降低控制參數的優化難度。
14、所述光功率反饋模塊：包括跨阻放大電路，將所述激光器模塊輸出的與光功率相關的電流信號轉換并放大為電壓信號，經模數轉換電路(adc)采樣后輸入所述主控模塊，所述主控模塊根據反饋的實際激光器光功率信息調節所述恒流驅動模塊，形成光功率-電流的閉環控制，以補償激光器老化導致的光效衰減。
15、所述恒溫驅動模塊：包括基于h橋驅動電路的溫控電路，所述恒溫驅動模塊依據所述溫度pid反饋模塊輸出的溫度調節信號提供所述激光器模塊中的tec的工作電流。
16、所述溫度采樣模塊：包括參考電阻、溫敏電阻、電壓基準源和精密運算放大器，用于向所述主控模塊和所述溫度pid反饋模塊反饋激光器的溫度。所述參考電阻與所述溫敏電阻串聯并對所述電壓基準源進行分壓，通過所述精密運算放大器采樣所述參考電阻的電壓計算出所述溫敏電阻的阻值，再通過所述溫敏電阻的阻值計算出所述激光器的溫度。
17、所述溫度pid反饋模塊：包括數模轉換(dac)電路和基于運算放大器和電容、電阻構成的硬件pid反饋電路，用于根據所述溫度采樣模塊輸出的激光器溫度信號和所述dac電路的輸出電壓信號進行比例、積分、微分運算，輸出溫度調節信號，并將該溫度調節信號輸出至所述恒溫驅動模塊。優選地，可以根據受控的激光器模塊的溫度控制環路的傳遞函數特性判斷是否取消微分運算以節省硬件成本和降低控制參數的優化難度。
18、第二方面，本發明還提供一種激光器驅動系統的多終端協同控制方法，所述方法應用于所述激光器驅動系統，其特征在于，包括：
19、制定通信協議，包括定義指令格式，明確每個指令字段的定義、可能的取值范圍和格式，作為各終端開發和通信的標準。所有終端，包括串口屏、上位機和其他外部設備，都必須遵循該協議，確保正確生成、發送、接收、解析指令。
20、實施指令優先級管理，包括將所述通信協議中定義的指令按指令功能分配相應的優先級等級，使用多個優先級隊列來存儲和處理待處理的指令，所述激光器驅動系統按指令優先級從高到低依次處理對應的指令隊列。同一指令隊列中的指令按時間順序，先接收的指令先處理。在本發明的一個優選實施例中，指令優先級從高到低可分為緊急優先級、高優先級、普通優先級、低優先級四類優先級。緊急優先級指令代表必須立即執行的指令，若不立即執行則可能對所述激光器驅動系統造成不可逆的硬件損害。高優先級指令代表需要及時處理的指令，若不及時處理則可能影響所述激光器驅動系統的工作狀態或參數設置。普通優先級指令代表常規指令，若不及時處理則可能影響各終端與所述激光器驅動系統的參數同步。低優先級指令代表可以延遲處理的指令。
21、建立可靠通信機制，包括通信錯誤檢測、通信同步、響應機制。所述通信錯誤檢測包括使用crc校驗、校驗和、奇偶校驗或其他校驗方法檢測數據傳輸中的錯誤，如果在通信過程中檢測到錯誤則觸發數據重傳操作，確保通信的數據完整性。所述通信同步包括使用時間戳和心跳包保持各終端與所述激光器驅動系統的時鐘同步，確保通信指令處理的及時性和準確性。所述響應機制包括所述激光器驅動系統處理完每條指令后，生成響應消息，包含成功、失敗或正在執行的狀態，并在處理完每個指令后依次回傳給發送指令的對應終端。如果同時接收到多個功能上存在沖突的指令，則只保留最后接收到的具有最高優先級的指令，并發送指令沖突的響應消息給其他沖突指令的發送端。終端在發送指令后，若未在預期時間內收到響應，自動重試發送指令，并設置最大重試次數和時間間隔。在執行指令期間，所述激光器驅動系統將記錄所有錯誤信息，如指令解析失敗、指令執行失敗等錯誤信息，并通過響應消息反饋給發送指令的對應終端。
22、實施終端權限管理，包括為每一個終端賦予對應的指令控制權限，指令控制權限以指令或者指令優先級為單位進行授權。如果終端沒有某個指令的控制權限，則禁止其發送該指令。在終端連接所述激光器驅動系統時通過特定加密算法生成的終端唯一標識碼進行身份認證，通過終端唯一標識碼確認其指令控制權限，防止執行未經所述激光器驅動系統授權的指令。每條指令在存儲至對應指令隊列之前，檢查發送終端的指令控制權限，若權限不足，則拒絕存儲、處理該指令并反饋錯誤消息給發送指令的對應終端。
23、與現有技術相比，本發明的有益效果是：
24、硬件pid控制器具有更快的動態響應速度，不需要額外的芯片提供算力支持，滿足激光器快速啟動、調制等需求，可以實現高精度的電流和溫度控制，適應不同應用場景的需求。
25、提出包含制定通信協議、實施指令優先級管理、建立可靠通信機制、實施終端權限管理的多終端協同控制方法，解決了多控制終端(如串口屏與上位機)之間存在的控制終端的數據不同步、指令沖突、響應優先級不一致、設備權限缺乏管理等問題，實現了多終端的激光器驅動系統的實時協同控制。
26、應當理解的是，以上的一般描述和后文的細節描述僅是示例性和解釋性的，而非限制本發明。