一种激光器前向电压的多通道低功耗apc控制电路和方法
阅读说明：本技术 一种激光器前向电压的多通道低功耗apc控制电路和方法 (Multi-channel low-power-consumption APC control circuit and method for laser forward voltage ) 是由 刘陈琼 彭奇 杨洪 田永猛 王代鹏 孙朝元 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制电路与方法,包括多通道激光器件、外环控制器、内环PID控制器,多通道激光器件分别与外环控制器、内环PID控制器电连接,外环控制器向多通道激光器件输出一个初始前向电压,确保所有的激光器都工作在锁定状态,内环PID控制器根据每个激光器件反馈的采样电压,利用PID算法,调节激光器的第一电压,同时记录和更新内环PID控制器调试后每一个激光器的工作状态,并反馈给外环控制器,当所有激光器均工作在锁定状态,则采用步进法降低外环控制器输出的第二电压,直到出现某一通道或多通道激光器件无法工作在锁定状态,再以相同的步进增加外环控制器输出的第二电压,直到所有激光器重新工作在锁定状态。(The invention relates to a multi-channel low-power-consumption APC control circuit and method for laser forward voltage, comprising a multi-channel laser device, an outer ring controller and an inner ring PID controller, wherein the multi-channel laser device is respectively electrically connected with the outer ring controller and the inner ring PID controller, the outer ring controller outputs an initial forward voltage to the multi-channel laser device to ensure that all the lasers work in a locking state, the inner ring PID controller adjusts the first voltage of the lasers by utilizing a PID algorithm according to the sampling voltage fed back by each laser device, simultaneously records and updates the working state of each laser after the inner ring PID controller is debugged and feeds back the working state to the outer ring controller, when all the lasers work in the locking state, the second voltage output by the outer ring controller is reduced by adopting a stepping method until a certain channel or multi-channel laser device cannot work in the locking state, and increasing the second voltage output by the outer ring controller in the same step until all the lasers work again in the locking state.)
技术领域
本发明涉及APC控制技术领域，特别涉及一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制电路和方法。
背景技术
对激光器的传统APC控制，是使用电源控制器对激光器输出定值电压，使得所有的激光器都工作在锁定状态即可，然而这样的方式会导致电能的浪费，具体表现在两方面：1)为了使激光器能够工作，给定的初始电压往往会比工作一段时间后的所需电压大，导致电能浪费；2)由于各个激光器本身的特性或参数不一，各个激光器工作所需的最低电压也不同，统一采用一个定值电压势必会造成功耗低的激光器浪费电能。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制电路和方法，通过内环和外环的相互配合控制，调节对激光器输出的电压，使得激光器工作在功耗最低的锁定状态。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制电路，包括多通道激光器件、外环控制器、内环PID控制器，其中：
多通道激光器件，分别与外环控制器、内环PID控制器电连接，根据外环控制器和内环PID控制器的调节，改变多通道激光器件的工作状态，使其工作在锁定状态；
外环控制器，向多通道激光器件输出初始前向电压，并根据内环PID控制器反馈的每个激光器件的工作状态再对多通道激光器件输出的第二电压进行调节；
内环PID控制器，接收多通道激光器件反馈的工作状态，并根据多通道激光器件反馈的工作状态对多通道激光器件输出的第一电压进行调节，同时将多通道激光器件的工作状态反馈给外环控制器。
由于外环控制器向多通道激光器件输出的初始前向电压是保证了多通道激光器件中所有激光器都能工作在锁定状态的最大电压值，但实际激光器可能不需要使用这么高的功耗，那么这样会造成功耗浪费，因此本方案结合内环PID控制器和外环控制器的相互配合，根据内环PID控制器接收到的多通道激光器反馈的工作状态，通过内环PID控制器和外环控制器调节对多通道激光器件的输出的电压，形成APC闭环控制，使得多通道激光器能工作在临界锁定状态，即工作在功耗最低的锁定状态，通过内、外环共同调节对多通道激光器输出的电压，降低激光器件工作时所使用的功耗。
更进一步地，为了更详细的说明所述多通道激光器件的组成，所述多通道激光器件包括N组激光器件，每组所述激光器件包括LD激光器、感应LD激光器的PD受光器，所述PD受光器与内环PID控制器连接，用于感应LD激光器的工作状态，并将LD激光器的工作状态转换为电压信号反馈至内环PID控制器。
本方案使用PD受光器感应LD激光器的工作状态，内环PID控制器接收到的PD受光器反馈的LD激光器工作状态即为LD激光器的功率。
更进一步地，为了更详细的说明所述外环控制器的组成，所述外环控制器包括外环DAC控制器、DC-DC控制器，所述外环DAC控制器与DC-DC控制器电连接；外环DAC控制器给定DC-DC控制器初始前向电压，DC-DC控制器根据外环DAC控制器给定的初始前向电压同时向N组激光器件供电。
更进一步地，每组所述激光器件还包括三极管，所述三极管的基极与内环PID控制器电连接，三极管的集电极与DC-DC控制器电连接，三极管的发射极与LD激光器电连接。
所述内环PID控制器通过三极管的基极对LD激光器输出的第一电压进行调节，即对LD激光器输出的第一电压为三极管的基极电压，所述DC-DC控制器通过三极管的集电极对LD激光器输出的第二电压进行调节，即对LD激光器输出的第二电压为三极管的集电极电压。
一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制方法，包括以下步骤：
外环控制器向多通道激光器件输出初始前向电压，使得多通道激光器件工作在锁定状态，且多通道激光器件将工作状态反馈至内环PID控制器；
内环PID控制器根据多通道激光器件反馈的工作状态，对多通道激光器件输出的第一电压进行调节，使得多通道激光器件工作在锁定状态，同时记录和更新多通道激光器件的工作状态，并反馈至外环控制器；
外环控制器根据内环PID控制器反馈的多通道激光器件的工作状态再对多通道激光器件输出的第二电压进行调节，直到多通道激光器件工作在临界锁定状态。
更进一步地，为了更详细的说明所述外环控制器向多通道激光器件输出初始前向电压，使得多通道激光器件工作在锁定状态，且多通道激光器件将工作状态反馈至内环PID控制器的步骤，包括：
所述外环控制器中的外环DAC控制器给定DC-DC控制器初始前向电压；
DC-DC控制器根据外环DAC控制器给定的初始前向电压，向N组激光器件输出电压，使得N组激光器件中的所有LD激光器都工作在锁定状态；
N组激光器件中各LD激光器对应的PD受光器感应LD激光器的工作状态，并将LD激光器的工作状态转换为电压信号反馈至内环PID控制器。
更进一步地，所述LD激光器工作在锁定状态，是指LD激光器的输出功率工作在设定值范围内；
所述PD受光器感应LD激光器的工作状态，并将激光器的工作状态转换为电压信号反馈至PID控制器，是指PD受光器感应LD激光器发出的激光，并将感应的激光转换为电压信号，再将电压信号反馈至内环PID控制器；所述电压信号代表LD激光器的功率。
更进一步地，为了更详细的说明所述内环PID控制器根据多通道激光器件反馈的工作状态，对多通道激光器件输出的第一电压进行调节，使得多通道激光器件工作在锁定状态，同时记录和更新多通道激光器件的工作状态，并反馈至外环控制器的步骤，包括：
所述内环PID控制器根据各个PD受光器反馈的电压信号进行PID计算，依据计算结果分别调节对各LD激光器输出的第一电压，使得各个LD激光器工作在锁定状态；内环PID控制器将记录和更新每个LD激光器件的工作状态并反馈至外环控制器。
更进一步地，为了更详细的说明所述外环控制器根据内环PID控制器反馈的多通道激光器件的工作状态再对多通道激光器件输出的第二电压进行调节，直到多通道激光器件工作在临界锁定状态的步骤，包括：
所述外环控制器的外环DAC控制器根据内环PID控制器反馈的激光器件的工作状态，增加对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器降低对所有LD激光器输出的第二电压，直到出现某一LD激光器不工作在锁定状态时，停止增加对DC-DC控制器输出的DAC信号；
外环DAC控制器反向降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器增加对所有LD激光器输出的第二电压，直到所有的LD激光器恢复工作在锁定状态，停止降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得所有LD激光器工作在临界锁定状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明使用内环PID控制器和外环控制器相互配合控制，调节对LD激光器输出的电压，使得多通道的LD激光器都工作在功耗最低的锁定状态，降低LD激光器使用的功耗。
(2)本发明使用PD受光器感应LD激光器发出的激光，再将感应的激光转换为电压信号反馈至内环PID控制器，由内环PID控制器根据LD激光器的当前功率进行PID算法的计算，得出对LD激光器输出电压进行调节的策略，结合PID算法可快速准确的计算出调节的力度。
(3)本发明使用PID控制器对PD受光器反馈的激光器工作状态进行计算得出调节的策略后，对激光器输出的电压进行调节，同时记录和更新调节内环PID控制器调试后的每一个激光器的工作状态，并反馈给外环控制器，当所有激光器均工作在锁定状态，则采用步进法降低外环控制器输出的电压，直到某一激光器无法工作在锁定状态时，再以相同的步进增加外环控制器输出的电压，直到所有的激光器重新工作在锁定状态，以达到激光器都能工作在功耗最低的锁定状态的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提出的APC控制电路原理图；
图2为本发明实施例提出的APC控制器电路中外环控制器的电路原理图(图1的部分放大)；
图3为本发明实施例提出的APC控制器电路中任一组激光器件的电路原理图(图1的部分放大)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制电路，包括多通道激光器件、外环控制器、内环PID控制器，其中：
如图1所示，所述多通道激光器件包括N组激光器件，如图3所示，每组所述激光器件包括LD激光器、感应LD激光器的PD受光器、三极管，所述PD受光器与内环PID控制器连接，用于感应LD激光器的工作状态，并将LD激光器的工作状态转换为电压信号反馈至内环PID控制器。
所述三极管的基极与内环PID控制器电连接，三极管的集电极与外环控制器电连接，三极管的发射极与LD受光器连接，即内环PID控制器通过三极管的基极调节对LD激光器输出的第一电压，外环控制器通过三极管的集电极调节对LD激光器输出的第二电压，那么三极管的基极电压即为第一电压，三极管的集电极电压即为第二电压。
需要说明的是，所述PD受光器感应LD激光器的工作状态包括工作在锁定状态和不工作在锁定状态，工作在锁定状态是指LD激光器的输出功率工作在设定值范围内；不工作在锁定状态是指LD激光器的输出功率没有工作在设定值范围内。PD受光器感应到LD激光器发射的激光后，将激光转换为电压信号，内环PID控制器根据PD受光器反馈的采样电压信号即可根据PID算法计算出LD激光器的功率，并判断出LD激光器是否工作在锁定状态。
如图2所示，所述外环控制器包括外环DAC控制器、DC-DC控制器，外环DAC控制器给定DC-DC控制器一个初始前向电压，DC-DC控制器将这个初始前向电压输出至各LD激光器，为LD激光器供电，使得每个LD激光器都工作在锁定状态，因此这个初始前向电压为能够保证所有LD激光器都工作在锁定状态的最大电压值。但可能实际LD激光器并不需要使用这么高的功耗，甚至个别LD激光器因本身的特性或参数的原因，所使用的功耗会更低，因此这种情况需要通过内环和外环相互配合的方式继续降低对各个LD激光器输出的电压，以使各个LD激光器都工作在临界锁定状态，此时各个LD激光器所使用的功耗最低，本实施例将详细说明此种情况。
所述内环PID控制器的输入端接入多通道激光器件中的所有PD受光器，以接收PD受光器反馈的LD激光器工作状态，内环PID控制器的输出端连接至多通道激光器件中的三极管的基极，通过三极管的基极对各个LD激光器输出的第一电压进行调节。由于LD激光器工作的初始前向电压为最大电压值，因此此处内环PID控制器对LD激光器输出的第一电压进行调节为降低输出的第一电压。在降低对LD激光器输出的第一电压时，仍需保证所有的LD激光器都工作在锁定状态。
需要说明的是，各个PD受光器向内环PID控制器反馈的工作状态基本都不相同，因此内环PID控制器需要分别对接收到的工作状态进行PID计算，以得到对各个LD激光器输出的第一电压进行降低的策略，此时内环PID控制器对各个LD激光器进行电压降低的力度不同，这时各个LD激光器两端的电压值便不再相同。
通过内环PID控制器的调节之后，所有LD激光器仍工作在锁定状态，然后内环PID控制器将对LD激光器进行的调试后各LD激光器的工作状态反馈外环控制器，此处对各LD激光器进行调试是分别降低对各LD激光器输出的第一电压。外环控制器中的外环DAC控制器接收内环PID控制器反馈的调节状态，依据所述调节状态再对LD激光器输出的第二电压进行调节，使得多通道激光器件工作在临界锁定状态。
外环控制器对LD激光器输出的第二电压进行调节时，首先外环DAC控制器通过步进法增加对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器降低对所有LD激光器输出的第二电压，直到有LD激光器不工作在锁定状态时，停止增加对DC-DC控制器输出的DAC信号；然后外环DAC控制器再使用相同的步进反向降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器增加对所有LD激光器输出的第二电压，直到所有的LD激光器恢复工作在锁定状态，停止降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得所有LD激光器工作在临界状态。
此时，即可使得所有的LD激光器工作在功耗最低的锁定状态，通过内环和外环的调节后，达到降低激光器工作功耗的目的。
本发明通过外环控制器和内环PID控制器的相互配合控制，对LD激光器输出的电压进行采集和调节，通过对APC自动功率的调节方式，使得所有的LD激光器都能工作在功耗最低的锁定状态，降低激光器工作功耗。
基于上述APC控制电路，本发明还提出一种激光器前向电压的多通道低功耗APC控制方法，包括以下步骤：
步骤S100：外环控制器向多通道激光器件输出初始前向电压，使得多通道激光器件工作在锁定状态，且多通道激光器件将工作状态反馈至内环PID控制器。
所述外环控制器中的外环DAC控制器给定DC-DC控制器初始前向电压；DC-DC控制器根据外环DAC控制器给定的初始前向电压，向N组激光器件输出电压，使得N组激光器件中的所有LD激光器都工作在锁定状态，该初始前向电压为LD激光器所使用的最大电压值；N组激光器件中各LD激光器对应的PD受光器感应LD激光器的工作状态，并将LD激光器的工作状态转换为电压信号反馈至内环PID控制器。
其中所述LD激光器工作在锁定状态是指LD激光器的输出功率工作在设定值范围内，所述PD受光器感应LD激光器的工作状态，并将激光器的工作状态转换为电压信号反馈至PID控制器，是指PD受光器感应LD激光器发出的激光，并将感应的激光转换为电压信号，再将电压信号反馈至PID控制器；所述电压信号代表LD激光器的功率。
步骤S200：内环PID控制器根据多通道激光器件反馈的工作状态，对多通道激光器件输出的第一电压进行调节，使得多通道激光器件工作在锁定状态，同时记录和更新多通道激光器件的工作状态，并反馈至外环控制器。
所述内环PID控制器根据各个PD受光器反馈的电压信号进行PID计算，依据计算结果分别降低对各LD激光器输出的第一电压，使得各个LD激光器仍能保持工作在锁定状态。需要说明的是，内环PID控制器是分别对各个LD激光器输出的第一电压进行调节，因此每个LD激光器的第一电压被降低的力度可能均不相同，但在降低第一电压后还是要保证所有LD激光器都工作在锁定状态。然后内环PID控制器将记录和更新每个LD激光器件的工作状态，并反馈至外环控制器。
步骤S300：外环控制器根据内环PID控制器反馈的多通道激光器件的工作状态再对多通道激光器件输出的第二电压进行调节，直到多通道激光器件工作在临界锁定状态。
所述外环控制器的外环DAC控制器根据内环PID控制器反馈的LD激光器的工作状态，使用步进法增加对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器降低对所有LD激光器输出的第二电压，直到某一LD激光器不工作在锁定状态时，停止增加对DC-DC控制器输出的DAC信号；然后外环DAC控制器使用相同的步进反向降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得DC-DC控制器增加对所有LD激光器输出的第二电压，直到所有的LD激光器恢复工作在锁定状态，停止降低对DC-DC控制器输出的DAC信号，使得所有LD激光器工作在临界锁定状态。
实施例2：
作为另一种可实施方式，由于输出至LD激光器的初始前向电压可能为LD激光器历史所使用的经验电压值，则有可能该初始前向电压并不能保证所有的LD激光器都工作在锁定状态，即当初始前向电压输出后，仍有LD激光器不能工作在锁定状态，那么此时内环PID控制器通过PD受光器反馈的电压信号进行PID计算后，需增加对LD激光器输出的第一电压，使得所有的LD激光器都能工作在锁定状态，然后外环控制器根据内环PID控制器反馈的LD激光器的工作状态，再次对LD激光器输出的第二电压进行调节，使得所有的LD激光器都工作在临界锁定状态，外环控制器对LD激光器输出的第二电压进行调节的方式与实施例1中相同，故不在此进行赘述。
本实施例还存在另一种情况，即当初始前向电压输出后，仍有LD激光器不能工作在锁定状态，此时内环PID控制器增加对LD激光器输出的第一电压，当第一电压值被增加至最大值时，还是不能保证所有的LD激光器都工作在锁定状态，那么此时则需要外环控制器来增加对LD激光器输出的第二电压，使得所有的LD激光器都能工作在锁定状态。再进一步使用内环PID控制器调节对LD激光器输出的第一电压，然后外环控制器再调节对LD激光器输出的第二电压，最终使得所有LD激光器都工作在临界锁定状态。
综上所述，本发明在对LD激光器输出的电压进行调节时，需要根据实际LD激光器本身的特性或参数进行PID计算后再调节，可能会降低对LD激光器输出的第一电压/第二电压，也可能会增加对LD激光器输出的第一电压/第二电压，总之在外环控制器和内环PID控制器的相互配合调节下，最终使得所有的LD激光器都能工作在临界锁定状态，达到使用最低功耗的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。