1、1毕业设计开题报告电子信息科学与技术基于LABVIEW环境的通信激光强度和波长调谐控制研究一、选题的背景与意义1970年美国贝尔实验室研制成功在可以在室温下连续工作的半导体激光器（LASERDIODE），为光通信提供了实用化光源。目前，半导体激光器在通信、医疗、工业、国防军事等众多领域得到非常广泛的应用。在通信上，对于半导体激光器来说，光纤通信是当前主要的应用领域，未来的发展更是一个广阔的领域。其主要原因是相对与传统的电通信具有一下优点通带宽，容量大，可实现波分密集复用（DVDM）传输损耗小，可靠性高，可实现远距离通信。在医疗领域，激光医疗作为激光应用的一个重要领域，发展非常迅速，逐步走向成熟
2、。半导体激光器因其具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点，特别适用于医疗设备的制造。在工业上，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。用半导体激光器产生的光束代替电流，用标准光纤代替铜线作为传输介质，光纤传感器就是针对这些应用挑战相当好的解决方法。在国防军事上，信息战将是未来高技术战争的战略至高点，激光技术是获取和传输信息的重要手段，正面临着前所未有的挑战和机遇，目前军事方面的应用有激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪等
3、等。半导体激光器的功率和波长是其工作特性的两个非常重要参数，对半导体激光器功率和波长的调谐研究十分必要。半导体激光器的输出功率与注入电流在理想情况下有THPITI,其中为曲线的斜率，THIT为是LD的阈值电流。半导体激光器的阈值电流对温度敏感，可以表示为00EXP/THITITT，其中0I是常数，0T是器件的特征温度，取决于器件的结构和所用材料。由于介质的折射率与温度有关，半导体激光器的发射波长与温度也有联系。理论分析和实验表明，半导体激光器的工作电流发生变化时,激光器不仅输出光强发生变化,峰值（中心）波长也随着工作电流的增加向长波方向移动。所以半导2体激光器的输出波长可以表示为温度T和输入电
4、流I的的函数12,FTIKTKI。我的研究工作是用上文提到的半导体激光器的功率、波长的两个关系式在LABVIEW环境下对半导体激光器的波长和功率的精确控制。在PC机的LABVIEW环境下开发出激光器控制的图形用户界面，通过微机与激光控制器进行交互通信，实现对激光器的相关功能操作。激光控制模块是以TI公司MSP430F149芯片为核心的控制器。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本课题主要研究的是用LABVIEW的用户界面实现对激光器输出功率与波长的实时控制。在PC机的LABVIEW环境下开发出激光器控制的图形用户界面并通过微机与激光控制器（MCU）进行交互通信，实现对激光器的相关功能操作。需要
5、解决的主要问题是图形界面的开发，MSP430F149的内嵌程序的编写，以及图形界面与控制器之间的通信。课题的难点是半导体激光器波长功率的精度和控制系统的可靠性、稳定性。三、研究的方法与技术路线本课题的设计主要包括以下几个部分LABVIEW用户界面设计和MSP430F149单片机的内嵌程序设计以及激光器相关参数的测量。图1是系统的整体框图。PCMSP430F149LASERCONTROLLERDA光功率计LDSPI波长计PGPIBRS232电流温度控制电路温度采集功率采集PDTHERMISTORADRS232图1系统整体框图1LABVIEW用户界面设计LABVIEW是一种程序开发环境，由美国国家
6、仪器（NI）公司研制开发的而。在本课题中使用的版本是LABVIEW86简体中文版。LABVIEW与C和BASIC一样，也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LABVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、3数据分析、数据显示及数据存储，等等。LABVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。利用LABVIEW友好的操作界面和强大的数据处理及显示功能，使用LABVIEW开发用户界面不仅减少了成本，还提高了系统的灵活性与可靠性。完成用户界面设计需要编写串口通信子VI，数据处理子VI，控制命令子VI
7、，用配置子VI以及前面板界面设计。需要使用LABVIEW函数库提供的各种结构如循环结构，事件结构，顺序结构，CASE结构，状态机结构等完成子VI的设计。在LABVIEW环境下编写友好美观用户界面同时完成相关的数据处理，以及利用PC机串口的进行界面相关操作指令的收发。例如旋动界面激光波长旋钮或者功率旋钮，程序自动生成相关指令发送出去，在界面上也可以读取激光器的工作状态，工作参数并显示。2MSP430F149单片机的内嵌程序设计MSP430系列单片机是美国德州仪器TI1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器MIXEDSIGNALPROCESSOR。MSP430F149具有两个16
8、位定时器，一个12位高速AD转换器，两个通用串行同步/异步通信接口USART以及48个IO引脚。以MSP430F149单片机为核心的激光控制系统接收上位机用户控制界面发出的指令执行对激光器的相应的服务子程序达到对温度和电流的控制。单片机的内嵌程序利用IAR公司的集成开发环境IAREMBEDDEDWORKBENCH，本设计将使用的C编译器版本是IAREMBEDDEDWORKBENCHEVALUATIONFORMSP430。主程序框图如图2所示。4系统初始化开始收到指令解析指令执行对应指令执行指令完毕图2主程序流程图3激光器相关参数的测量1）光功率计2）波长计（单色仪）功率计与波长计的数据可以通过
9、232接口或GPIB接口到设计好的VI中进行处理并保存数据。四、研究的总体安排与进度1、2010年11月26日2010年12月5日深入研究课题，了解课题的具体任务要求，制定详细的计划安排。2、2010年12月5日2010年12月26日基于LABVIEW环境的通信激光强度和波长调谐控制研究的相关资料，弄清有关概念及相关技术问题，撰写文献综述和开题报告。3、2010年12月26日2011年1月13日熟悉LABVIEW环境下编程，了解激光器控制功能。4、2011年1月14日2011年2月16日完成LABVIEW程序相关子VI编写及调试工作，为接下来整个设计框架的设计做准备。55、2011年2月17日
10、2011年3月2日完成各个子VI的整合，完成整体用户界面的设计工作。6、2011年3月2日2011年3月21日完成MSP430F149的与LABVIEW接口程序的编写，进行联合调试工作。7、2011年3月21日2011年4月15日完成所有激光器的相关功能与毕业论文书面工作，等待毕业答辩。五、主要参考文献1谢启,温晓行,高琴妹,顾启民LABVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现J微计算机信息,2005，21（9）88902阎吉祥,崔小虹,高春清,王茜蒨,于常青激光原理与技术M北京高等教育出版社,2004，1681893林静,林振宇,郑福仁基于LABVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通M北京人
11、民邮电出版社,2010,3443704李玉权,朱勇,王江平光通信原理与技术M北京科学出版社,2006,1001075顾亚雄,朱翠英,许方华基于LABVIEW的单片机多路数据采集系统的设计J自动化技术与应用,2009,281047486阎世栋在虚拟仪器LABVIEW平台中串行通信模块的应用J国外电子测量技术,2004,增刊39407张帅,徐伟,王克家,曹巍巍基于MSP430和LABVIEW的温度控制系统设计J哈尔滨商业大学学报自然科学版,2010,2644724748李峻灵半导体激光器功率稳定性的研究D哈尔滨理工大学,2007,1609谢建平,王沛,许立新,章江英,吴云霞,明海半导体激光器的波长
12、调谐和波长稳定技术J量子电子学报,2004,1929910310BARONEFABRIZIO,CALLONIENRICO,GRADOANIELLOHIGHACCURACYDIGITALTEMPERATURECONTROLFORALASERDIODEJREVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS,1995,6684051405411LID,BOWRINGN,JBAKERJSCANNINGTEMPERATURECONTROLSYSTEMFORLASERDIODESJMEASUREMENTSCIENCE2CALLBYREFERENCENODEVI函数3CLOSELVOBJECTREFE
13、RENCEVI函数4BUILDARRAYVI函数5SEARCH1DARRAYVI函数6INDEXARRAYVI函数。LABVIEW提供了更强大的灵活性，因为它是基于软件的。LABVIEW用户无法作为仪器的生产者，但是可以定义一起的功能，使用计算机、插入式硬件和LABVIEW能共同组成一个完全可配置的虚拟仪器，以完成用户的任务。使用LABVIEW，用户可以根据需要创建所需的任何类型的虚拟仪器，而其成本仅仅是传统仪器的小部分。当需求变化时，还可以在瞬间修改虚拟仪器4。虚拟仪器VIRTUALINSTRUMENT是基于计算机的软硬件测试平台，已经在工业控制领域得到广泛的应用。LABVIEW是由美国国家
14、仪器公司NATIONALINSTRUMENTSCO推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。利用LABVIEW设计多路数据采集系统时，可配备NI公司的数据采集板卡模拟采集多路信号，但是数据采集卡价格较贵。本设计选用MSP430单片机组成的系统作为前端数据采集系统进行多路数据采集，然后通过RS232串口通讯将数据传输至上位机，在LABVIEW开发平台下，对各路数据进行处理、标定和实时显示，从而实现了一种在LABVIEW环境下的单片机多路数据采集系统5。在LABVIEW功能面板的INSTRUMENTIOSERIAL目录下，包含串行通信所需的集
15、成模块。利用这些模块，可以非常方便的设计出基于串行通信的测控系统。需要注意的是，在使用这些模块之前，需安装光盘上的VISA驱动程序；也可从NI公司的网10站免费下载最新VISA驱动程序。下面介绍一下本系统要用到的串行通信模块1VISAONFIGURESERIALPORT。用于初始化所选择的串行口。其中VISARESOURCENAME用于选择所用到的串行，PC机中常用到的串口号分别用COML和COM2表示。FLOWCONTROL用于设置握手方式，BUFFERSIZE用于设置缓冲区的大小。BAUDRATE，DATABITS，STOP,BITS，PARITY分别用于设置串行通信的波特率，数据位长度，
16、停止位长度，校验方式；2VISAWRITE。用于将WRITEBUFFER中的字符写到VISARESOURCENAME指定的串行接口中；3VISAREAD。从VISARESOUREENAME指定的串行接口中读取规定字节数的数据，并将这些数据传递给READBUFFER。BYTECOUNT用于设置要读取的字节数；4VISACLOSE。用于关闭VISARESOURCENAME指定的串行口，让出串行口的使用权。PC机与单片机系统进行串行通信的说明和单片机进行数据通信需要先制订一个简单的通信协议,目的是为了保证数据传送有严格的时序,避免出现错码或漏码6。协议内容包括1单片机待发送的数据已经准备好,申请上传
17、数据,可以由单片机向主机发送一个00H的字节作为申请标志；2PC机串口已经初始化,准备开始接收规定数量的数据,单片机可以上传数据一般来说,串口缓冲器容量大小已经根据实际情况设定好了,可以由PC机向单片机发送一个01H的字节作为开始标志；3PC机已经接收完规定数量的数据,可以向单片机发送一个02H的字节作为结束发送标志；4为了避免数据在传输中出错,可以规定单片机向PC机上传的每点数据连续发两次,并且之后再发送一个字节,为前两个字节的异或值,即每点数据实际用了三个字节,前两个字节为该点数据,后一个字节为两次传送数据的异或值,当传送正确时,第三个字节数据为00H；5当PC机接收到每点数据的第三个异或
18、字节不为零时,向单片机发送03H作为出错标志,单片机收到该命令后重发数据或进入其他处理。激光器斜率效率自动测量系统，将原来需要繁琐手工操作和记录的工作由计算机控制完成，得到比较准确的结果该系统充分利用了实验室现成的设备资源，设计简单、成本低廉、使用方便在需要更高测量精度的时候，还可以改用更高位分辨率的AD芯片，或者也可以改用带有RS232或GPIB接口的高档激光功率计直接同计算机连接进行控制该系统还可以自动测量半导体激光器的输出光通过各种光学元件的输出效率，在激光的实验研究中有比较好的应用和推广价值7。文献8介绍了VISA是虚拟仪器软件体系结构，实质上是一个I/O口软件库及其规范的总称。一般情
19、况下，就将这个I/O接口软件库称为VISA库。在以往的虚拟器开发过程中，I/O接口设备（或称仪器I/O，通常是带有不同的总线接口的仪器、仪器模块或数据采集卡）驱动控制软件的开发没有制订统一的规范，仪器厂商按照各自的标准开发I/O接口设备驱动控11制软件出售给用户。由于没有统一的规范约束，只能专用而没有通用性，因此不同类型的或不同厂家生产的I/O接口设备都必须专门来设计它的驱动程序。由于这种不可互换性的，因而造成用户在集成、使用和维护虚拟仪器系统时重复投入了大量的资金。为了推动虚拟仪器软件标准化的进程，VXIPLUG工作电流大时的波长红移比电流小时明显13。文献14介绍了一种波长调制光谱技术中D
20、FB半导体激光控制电路，该控制电路包括波长调制电路、波长扫描电路和TEC控制电路。通过使用晶振、二进制计数器、带通滤波器以及程控衰减器产生波长调制信号，使用D/A转换器产生波长扫描信号，并且使用NLD0531BPQ芯片对激光器内置TEC进行控制，最后通过CO二次谐波谱线测量。激光器控制电路的参数全部采用数字控制，并且可以通过单片机进行调整。实验表明，该控制电路具有较高的稳定性，其控制精度达到了001。系统地介绍了用于实现波长调制光谱技术的激光控制器设计方法，包括波长调制及扫描电路和TEC控制电路的设计。由于采用D/A转换器、数字电位器以及NLD0531BPQ芯片，波长调制光谱的参数全部使用数字
21、量控制，参数调整较为方便。通过CO的二次谐波谱线测量实验证明，所设计的激光控制器能够达到实现波长调制光谱技术的要求，且具有较高的稳定性。文献15提出了LD的输出波长与其管芯温度有密切关系，当温度升高时，输出光波的波长向长波方向移动；反之，当温度降低时，输出光波的波长向短波方向移动。一般地，LD管芯温度每变化1，波长变化约03NM。因此，对于要求LD输出波长准确、稳定的应用领域，必须严格控制LD的温度。温度控制对稳定LD的输出特性具有重要的作用，本文设计了一种基于微控制器的半导体激光器温度控制系统。实验结果表明，在1040温度范围内的控温稳定度优于02，有效地抑制了LD波长的漂移。该系统动态响应
22、速度快，控温效果好，非常适合中小功率LD的温度控制，具有较高的实际应用价值。文献16介绍了一种基于计算机控制的半导体激光器波长调谐控制系统。该系统向半导13体激光器的调谐区提供扫描电流，测量出激光器的输出光谱，生成激光器的“波长电流”数据查询表；通过调用该数据查询表，控制驱动单元的输出电流，快速、准确地实现电调谐半导体激光器输出波长的调谐控制。我们利用该控制系统，生成了DBR激光器的“波长一电流”数据查询表，并实现了对该DBR激光器输出波长的精确控制，波长控制误差不超过002NM。此外，对诸如取样光栅SAMPLEDGRATINGDBR激光器之类的其他半导体激光器，我们也利用该控制系统对其输出波
23、长进行了调谐控制，也获得很高的波长控制精度。文献17介绍了数字控制式半导体激光器驱动电路的设计，包括温度控制系统和光功率控制系统。该系统以单片机为核心，结合外围电路，以数字控制技术代替以往的模拟电路，易于控制，精度高。对光功率控制系统也以单片机为核心，配合外围的功率采样电路和电流驱动电路同时使用PD控制算法，控制电源电流，从而控制激光器光功率输出。在PD参数整定时，采用了工程实验法多次实验调试确定参数。建立数学模型，从而实现软件控制。为了提高控制的精度，把功率范围分为9段，对每一段都整定了一组参数，从而将光功率误差控制在002W内。这种半导体激光器驱动电路的光功率控制系统是数字控制式的。以单片
24、机为核心，配合外围的功率采样电路和电流驱动电路，电路结构简单。在软件控制时采用了分段的PD控制，效果较好，光功率控制精度都在002W内，功率在0199W范围内可调，达到了设计要求。同时，程序运行速度较快，实时性较好。文献18介绍了激光二极管温度控制的高精度数字伺服回路够把激光的温度波动降低到低于正负20UK在变换电桥和运放器的热稳定性低于40MK的条件下能够容易地获得一个商业上的温度控制器。3总结本文对基于LABVIEW环境的激光功率与波长调谐研究的相关文献作了评述，对课题的研究历史、研究现状等进行分析与归纳，说明了材料来源情况。在实际应用中，半导体激光器的发射波长和功率对温度和电流的变化敏感
25、，半导体激光器作为光纤通信的光源，对激光的功率和波长的精度和稳定性都有很高的要求，这就要求设计精准的温度控制器和精密的恒流源。可调谐激光器具有窄线宽、高稳定性、低幅度噪声、低频率噪声、震动不敏感、波长调谐范围宽，体积小、功耗低、可多路集成等特点，是精密光学测量、分布式光纤传感、微波频率合成、光学雷达及相干光通信系统的理想光源。单频可调谐激光器是物联网传感器网络的关键器件，在石油、天然气勘探，陆地、水下声波检测，油气传输管道检测，科学研究精密测量，相干光通信等运用中需求量越来越大,研究半导体激光器的调谐特性和波长稳定技14术是一个很有意义且有很大市场价值的课题。主要参考文献1谢启,温晓行,高琴妹
26、,顾启民LABVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现J微计算机信息，2005，21（9）88902阎吉祥，崔小虹，高春清王茜蒨于常青激光原理与技术M高等教育出版社,20043林静林振宇郑福仁基于LABVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通M人民邮电出版社,20104李玉权，朱勇，王江平光通信原理与技术M科学出版社,20065顾亚雄朱翠英许方华基于LABVIEW的单片机多路数据采集系统的设计J自动化技术与应用,2009,281047486阎世栋在虚拟仪器LABVIEW平台中串行通信模块的应用J国外电子测量技术,2004,增刊39407黄剑平基于LABVIEW的激光器斜率效率自动测试系统J光电技
27、术应用，2007，224148GUOJIE,WANGZHAOBADESIGNANDREALIZATIONOFSERIALCOMMUNICATIONINTERFACEBASEDONLABVIEWMSHANXI,NORTHUNIVERSITYOFCHINA,2007172517279楚现知，吴吉祥，李锦忠基于LABVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J工业控制计算机，2005，18（7）697010张帅，徐伟，王克家，曹巍巍基于MSP430和LABVIEW的温度控制系统设计J哈尔滨商业大学学报自然科学版,2010,26447247411李峻灵半导体激光器功率稳定性的研究D哈尔滨理工大学,200
28、716012谢建平,王沛,许立新,章江英,吴云霞,明海半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术J量子电子学报,2004,1929910313李成仁，宋昌烈，李淑凤，姚文雄半导体激光器输出波长随工作电流变化的实验研究J红外与激光工程，2003，32（2）14414714赵建华，高明亮，武秀娟波长调制光谱技术中的激光控制器设计J激光与红外，2010，40（5）53754115焦明星，邢俊红，刘芸，范吉中，安龙华半导体激光器温度控制系统的设计J激光与红外，2006，36（4）26126416邓小波，赵华凤，俞涛，何熙，周开军电调谐半导体激光器波长控制系统J半导15体光电，2005，26（6）570572
29、17伏燕军，邹文栋，肖慧荣，甘月红半导体激光器驱动电路的光功率控制的研究J2004,34562663018BARONEFABRIZIO,CALLONIENRICO,GRADOANIELLOHIGHACCURACYDIGITALTEMPERATURECONTROLFORALASERDIODEJREVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS,1995,6684051405416本科毕业设计（20届）基于LABVIEW的通信激光强度与波长调谐研究17摘要【摘要】1970年，美国贝尔实验室研制成功了可以在室温下连续工作的半导体激光器（LASERDIODE），为光通信提供了实用化光源目前，半
30、导体激光器在通信、医疗、工业、国防军事等众多领域得到非常广泛的应用。特别是在通信领域，其主要原因是光通信相对与传统的电通信具有以下优点通带宽，容量大，可实现波分密集复用（DVDM）；传输损耗小，可靠性高，可实现远距离通信等。本文研究了激光器输出功率与波长的实时控制界面在LABVIEW中的编程实现。实现了激光控制界面和激光器的RS232串行通信，能通过控制界面实现对激光器的波长和功率参数调谐。编写了MSP430F149的通信内嵌程序，数据采集程序实现了对激光器工作参数的自动化采集，激光器相关参数的精度达到了设计要求。【关键词】LABVIEW；半导体激光器；RS232。18ABSTRACT【ABS
31、TRACT】IN1970THEUSBELLLABSDEVELOPEDSUCCESSFULLYUNDERTHEROOMTEMPERATURETHECONTINUOUSWORKINGSEMICONDUCTORLASERLASERDIODE，WHICHPROVIDEDAPRACTICALLIGHTSOURCEFOROPTICALCOMMUNICATIONATPRESENT,THESEMICONDUCTORLASERINTHECOMMUNICATIONS,THEMEDICALSERVICE,THEINDUSTRY,THENATIONALDEFENSEMILITARYANDSOONNUMEROUSDOM
32、AINSOBTAINSTHEVERYWIDESPREADAPPLICATIONESPECIALLYINTHECOMMUNICATIONFIELD,ITSPRIMARYCAUSEISTHEOPTICALCOMMUNICATIONISCOMPAREWITHTHETRADITIONALELECTRICITYCOMMUNICATIONSHASTHEFOLLOWINGMERITPASSBANDWIDTH,LARGECAPACITY,CANBEACHIEVEDUSINGDENSEWAVELENGTHDIVISIONMULTIPLEXINGDVDMSMALLTRANSMISSIONLOSS,HIGHRELI
33、ABILITY,LONGDISTANCECOMMUNICATIONSCANBEREALIZEDTHISARTICLEHASSTUDIEDTHELASEROUTPUTANDTHEWAVELENGTHREALTIMECONTROLCONTACTSURFACEREALIZESINLABVIEWPROGRAMMINGLASERCONTROLSURFACEANDLASERCOMMUNICATIONINTERFACEISRS232SERIALCOMMUNICATION,TOACHIEVELASERRELATEDFUNCTIONSPREPAREDMSP430F149EMBEDDEDCOMMUNICATION
34、PROGRAMTHEDATAACQUISITIONPROCEDUREREALIZEDTOLASEROPERATIONALPARAMETERAUTOMATEDGATHERING,THELASERRELATEDPARAMETERPRECISIONHASACHIEVEDTHEDESIGNREQUIREMENTS【KEYWORDS】LABVIEW；SEMICONDUCTORLASER；RS232。19目录摘要17ABSTRACT18目录191绪论2111研究背景2112研究现状21121半导体激光器的波长调谐22122半导体激光器的功率调谐2213本文的研究内容232半导体激光器参数测量2421半导体
35、激光器的波长测量24211波长的测量原理24212波长数据的串口传输25213波长数据的GPIB传输2922半导体激光器的功率测量33221JW3201N0台式光功率计使用说明33222光功率采集子VI3423创建激光器参数对照表363LABVIEW软件开发环境3631LABVIEW软件设计概述3632LABVIEW应用程序的构成37321LABVIEW的前面板37322LABVIEW的后面板（程序框图）37323LABVIEW的图标及连接器3833LABVIEW的操作选板38331LABVIEW的工具选板38332LABVIEW的控件选板38333LABVIEW的函数选板3934LABVIE
36、W的程序调试技术39341错误列表39342检查未定义数据40343检查簇顺序40344检查函数端口的默认值40345检查子VI连线40346检查共享变量、局部变量、全局变量和值属性节点404激光器控制界面在LABVIEW中实现4141界面功能简介4142前面板界面设计4120421LABVIEW的函数选板41422操作说明4243常用子VI设计43431串口搜索43432写R0指令43433读取数据表44434串口通信测试45435写入温度值45436写入电流命令47437打开激光器开关47438警告和过滤处理47439开启激光器设置参数484310关闭激光器命令4844界面设计的软件结构4
37、945界面初始化4946读取默认设置的参数值5047建立通信连接5048关激光器5149用户事件51491SAVEASDEFAULT键鼠标释放事件51492LOAD键鼠标释放事件51493LASERPARAMETERSETTING键鼠标释放事件52494ON/OFF值改变事件52495前面板关闭用户过滤事件53496EXIT键鼠标释放事件53410程序退出53411生成可执行程序545串口通信电路设计5751USB转串口57511CH341芯片说明57512USB转3线RS232串口5752MSP430F149串口电路576测试结果及分析5961测试数据5962分析597结论与展望60参考文献
38、61致谢错误未定义书签。附录631绪论11研究背景半导体激光器由于具有一系列的优点在通信、医疗、工业、国防军事等众多领域得到广泛的应用。在通信领域，光纤通信是当前主要的应用领域，未来的发展更是一个广阔的领域。相对与传统的电通信具有一下优点通带宽，容量大，可实现波分密集复用（DVDM），传输损耗小，可靠性高，抗干扰强，可实现远距离通信2。激光器在医疗领域同样是热门方向，医疗器械是激光应用的一个非常重要领域，发展迅速并逐步走向成熟，这方面的应用最常见的有激光手术，激光治疗近视眼等。在工业现场上，电传感器应用广泛，但也存在很多的问题，例如信号传输过程中的损耗，易受电磁噪声的干扰等。用半导体激光器产生
39、的光束代替电流，用标准光纤代替金属导线作为传输介质，光纤传感器就是针对这些应用的一个解决方案。半导体激光器在国防工业的应用一直是最前沿课题，目前军事方面的应用有激光雷达、激光模拟武器、激光功率武器、激光警戒、激光制导跟踪等。半导体激光器是基于半导体PN结的受激发射机理的发光器件，其应用涵盖了整个光电子学科。在实际应用中，半导体激光器的发射波长和功率对温度和电流的变化敏感，半导体激光器作为光纤通信的光源，对激光的功率和波长的精度和稳定性都有很高的要求，这就要求设计精准的温度控制器和精密的恒流源。12研究现状20世纪90年代之前，光通信系统主采用准同步数字体系（PDH）,也就是第一代光通信网络。之
40、后又发展了同步数字体系（SDH），SDH取代PDH是光通信发展的重要里程，SDH就是光通信第二代网络，也是光电混合网络。全光网络将会是第三代网络的发展方向，全光网络的定义是网络节点在光域中进行信号处理交换传输。半导体激光器作为光通信的光源是没有其他器件可以替代的。半导体光源就是一个加正向电压PN结，结区导带的空穴与电子碰撞复合就会辐射一个光子。文献4提到了光子的能量为HVEG,其中H为普朗克常量，V为光的频率，EG是半导体PN结的带隙能量。半导体激光器相对于普通的发光二极管（LED）具有较大的发光功率和线宽很窄的特点，可以实现高速调制，是比较理想的通信光源。例如将窄线宽的分布反馈布拉格半导体激
41、光器1550NM用作光通信，信道传码率就可达10吉比没秒，为适应更高码率的波分复用（WDM）和时分复用（TDM）等光信号传输技术，发展了量子阱有源器件如多段结构的可调谐DFB激光二极管或DBR激光二极管（分布布拉格反射激光器），由于其线宽窄，有利于降低调制啁啾引起的展宽，即有助于提高信道码率，半导体激光器另一项重要应用在多媒体技术领域技术融会了激光与数字通信技术以及计算机技术。121半导体激光器的波长调谐在半导体激光器的运行工作时，带价电子的空穴和负电荷的电子到达PN结区复合是电子回到了价带的位置并释放出激活能，能量可以通过光辐射向外界释放，辐射光子的能量等半导体激光器的禁带宽度，其辐射的波长
42、表达式为HC/EG。其中光速C和普朗克常量H都是熟知的，只需知道半导体材料的禁带宽度EG就能求的波长。文献7中介绍了半导体激光器的波长调谐的方法主要有1）腔内色散调谐；2）泵光分布增益调谐；3）注人锁定调谐；4）温度调谐；5）注人电流调谐。其中腔内色散调谐又包括了棱镜调谐，标准具调谐，双折射滤光器调谐，光栅调谐。激光器的波长锁定的基本思想就是负反馈控制，LD的光输出被分为两部分，一部分（约为90）直接进入光检测器（PD1），作为REF信号，另一路（约为10）通过光路滤波器然后进入第二个光检测器（PD2），用这两个光探测器采集到的信号对比后得到的误差信号来驱动激光器的温度控制器（TEC），通过快
43、熟加热和制冷来控制波长的移动方向8910，在系统中光路滤波用了FP标准具。波长锁定原理示意如图11。PD1PD2LDTECTEMPRATURESENSORETALONMCUDAAD图11波长锁定系统原理框图122半导体激光器的功率调谐半导体激光器的输出光功率和注入电流有一条关系曲线，也就是PI特性曲线，在理想情况下如图12所示。发射光功率与注入电流呈近似线性关系在一定范围内，注入电流很大时或接近阈值时有比较严重的非线性失真。实际的PI曲线如图13所示。半导体激光器的阈值ITH对温度变化敏感，温度变化导致曲线平移并且会导致斜率变化。稳定功率也需要反馈控制，如要控制精准需要比较合理的算法和准确的光
44、检测。光功率的稳定需要控制的量有温度和电流两项参数，如果要同时稳定功率和波长需要一个比较好协调性。对半导体激光器进行模拟调制时，将工作点选在曲线的线性部分，一般是阈值电流的40MA以上；对半导体激光器进行数字调制时，将偏置电流设置与阈值电流相等点的附近。IPITH图12理想PI曲线IPITH光功率饱和图13实际PI曲线13本文的研究内容本文主要介绍了激光器输出功率与波长的实时控制用户界面和相关算法在LABVIEW中的实现，以及PC机的LABVIEW环境下开发出激光器控制的图形用户界面并通过微机与激光控制器进行交互通信的MSP430F149的内嵌程序设计，激光器参数的测量与自动化采集。图14为本
45、设计整个系统的示意图。PCMSP430F149LASERCONTROLLER光功率计LD波长计PGPIBRS232RS232图14系统示意图2半导体激光器参数测量21半导体激光器的波长测量波长的测量主要对光源发射谱线的波长测量，光纤通信发展带动着波长测量技术的发展，它与光通信的发展密不可分的，光波长测量技术的高低决定了光纤通信发展层次。我们使用了BURLEIGH公司的WA7000C型多通道波长计。该波长计是具有1PM分辨率的多路光学波长计，该仪器配备了一个彩色液晶显示屏和用于远程通信控制的GPIB接口和功能界别的光纤连接器，操作系统使用微软的WINDOWS。WA7000C波长计是简单，自动，准
46、确的波长测量工具，可测量四路连续波激光源。光源所生产的干涉条纹在迈克尔逊干涉仪扫描输入激光辐射进行采样，在干涉仪扫描校准间隔的时间间隔内置参考激光器，用一个高速数字信号处理器计算出干涉傅里叶变换获得输入激光的频谱在波长计屏幕上显示。WA7000C波长计使用氦氖激光，提供了一个参考绝对波长精度优于百万分之一。WA7000C多线波长计包含一个刚性整体式干涉仪内建成单块，使得它稳健和可靠。嵌入式计算机计算生成的频谱显示和导出每个光谱波长和功率峰值。前面板显示和其他输入和输出功能也由电脑控制。本节将主要介绍其测量原理、使用方法及利用RS232串口和GPIB接口将其波长数据传输到计算以及在LABVIEW
47、中的编程实现。虚拟仪器（VIRTUALINSTRUMENTION）是基于计算机的仪器，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，数据采集是计算机与外部物理世界连接必须的一道程序，数据采集系统的好坏主要取决器精度和速度，在满足精度的情况下应尽最大可能满足速度要求，即采样速率，满足实时采集实时处理的要求。波长计在采集和处理数据时前面板的按钮来选择不同的显示屏幕来更改参数或显示属性。211波长的测量原理波长测量的基本原理是利用干涉条纹，通过傅里叶变换，得到波长。使用波长已知的参考光，通过同时测量其干涉图形，这样就能获得准确的距离，速度和时间等参数。图21是波长的测量原理图。MICHELSO
48、NINTERFAROMETERFFTOPERATIONPOWERWAVELENGTHDISPALYUNKNOWWAVELENGTHSOURCEREFERENCESOURCEHENELASERWAVELENGTHINPUTFFTSAMPLINGTRIGGER图21波长测量原理框图212波长数据的串口传输WA7000C利用其光学结构和计算机处理后得到波长数据。测试中为了把测量到波长值实时保存对应起来，需要PC机实时获得波长测量值，利用WA7000C波长计附带的RS232串行输出功能进行波长数据传输是比较方便和廉价的。WA7000C可以利用其附带计算机的RS232串行接口传输波长数据计算机设备，通过
49、在BURLEIGHWAVEMETER主程序里面的SYSTEM菜单，选择RS232，可以打开串口输出。图22是波长的测量界面。图23是设置串口输出菜单。RS232是IBMPC及其兼容机上的串行连接标准。用于鼠标，打印机，调制解调器，同时也可以接工业仪表。串口通信的概念非常明确，串口按位发送和接收字节，可以简单地实现远距离通信。串口通信重要的参数波特率，校验位和数据位。波特率就是每秒发送的比特数，例如9600BUAD指的是没秒发送9600BIT数据位通常是8位。检验可分为奇校验和偶校验。串口通信还有RS422和RS485协议，RS485是在RS422的基础上发展过来，相对RS232可实现更远距离的传输。RS232使用的是非平衡参考地信号。RS485使用的是差分信号。在工业环境中具有更好的抗噪声性能。图22单通道输入光谱图23WA7000C串口设置窗口WA7000C波长计附带的RS232串口是9针母头，DSUB型接口，如图24所示。各个输出端口的功能见表21。端口可以很方便与个人计算机的端口相连只需通过一条1对1的串口线。波特率是19200BAUD，数据位8位，加1位停止位，无偶校验。开始打开串口处理显示数据接收数据配置串口关闭串口结束图24RS232的DB9型接口表21DB9端口功能描述引脚号名称单一源功能描述1N/C2TXDWA700
