一种基于MCU的人机交互的连续光纤激光器控制系统及方法

本发明涉及连续光纤激光器控制，具体涉及一种基于mcu的人机交互的连续光纤激光器控制系统及方法。

背景技术：

1、近年来，基于mopa(master oscillator power amplifier，主振荡功率放大)结构的连续光纤激光器在工业上应用广泛，特别是在激光切割、高速自动化激光焊接等工业高精尖领域。除此之外，基于科研或实验需求，以广大科研院所和高校为代表的对成本较为敏感的用户也迫切需要性价比高、交互性好、功率可调、安全稳定的连续光纤激光器。

2、现有的一些商用连续光纤激光器功能繁多，随之而来的是其激光器内部模块数量的不断增加、各模块之间物理通信接口的不统一和人机交互功能的不完善等问题。为了解决这些问题，在硬件上可以选用性能更强、i/o端口数量更多的芯片或者增加芯片的种类和数量，软件上可以引入嵌入式实时操作系统来提升多任务调度的效率，但是，这些举措会使得激光器的研发、制造和维护成本较为高昂。

3、随着连续光纤激光器技术的进一步发展，连续光纤激光器的输出功率也在不断提高。现有的一些商用连续光纤激光器中往往存在多个泵浦模块，无论这些泵浦模块型号是否一致，各泵浦模块的实际可调输出功率范围与其理论输出功率范围并不完全相同，这使得设置的总泵浦输出功率与实际的总泵浦输出功率存在不可控的差异，而且这一差异不仅会随着泵浦模块数量、型号的增加而增大，还会随着各个泵浦模块的不断老化而进一步扩大。同样值得关注的是，目前大功率的泵浦模块价格较为昂贵，若其输出功率变化过大，则有可能损坏设备。这些问题的存在降低了激光器量产的一致性和调控激光器输出功率的安全性与准确度。在尽量满足用户需要的前提下，主动控制总泵浦输出功率的变化速率和依据每台激光器中各泵浦模块的实际可调输出功率范围来实时调整各泵浦模块的功率分配是一个难点、痛点。

4、此外，出于激光器运行稳定的设计考虑，激光器内部各个设备的参数的修改频率应当是不一致的，例如泵浦模块的总输出功率出于用户需要可能会经常修改，但种子源模块的温度和功率设置、增益光纤的温度和总泵浦输出功率最大变化速率等参数关系到最终激光器的使用寿命、输出激光的质量和输出功率的稳定，不应被用户轻易修改。基于激光器安全稳定运行的前提，在限制用户修改某些关键参数的同时如何尽可能向用户开放对激光器的控制权限是一个值得研究的问题。

技术实现思路

1、本发明针对连续光纤激光器内部模块数量多、各模块之间物理通信接口不统一、人机交互功能不完善、设置的总泵浦输出功率与实际的总泵浦输出功率存在不可控的差异和开放激光器控制权限与保障激光器安全稳定运行这两者之间存在矛盾等问题，公开了一种基于mcu(micro controller unit，微控制单元)的人机交互的连续光纤激光器控制系统及方法。

2、本发明实施例提供的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明的公开实施例提供一种基于mcu的人机交互的连续光纤激光器控制系统，用于控制激光器内部的各个设备模块。所述控制系统包括：mcu模块、触控屏模块、通信接口模块和配置模块。

4、所述mcu模块，包括mcu芯片和维持mcu芯片正常工作所需的时钟电路、调试电路和复位电路，用于解析所述触控屏模块发送的指令、更新所述触控屏模块显示内容、控制所述激光器内部的各个设备模块和对用户提供调试功能；

5、所述触控屏模块，包括触控屏电路，用于与所述mcu模块通信、与用户实时交互、存储所述激光器控制系统的版本与版权信息和所述激光器内部的各个设备模块工作期间的告警信息；

6、所述通信接口模块，包括通信接口转换和复用电路，用于转换所述激光器内部的各个设备模块的通信接口至同一类型接口，并实现接口复用功能，是所述mcu模块与所述激光器内部的各个设备模块通信的桥梁；

7、所述配置模块，包括存储芯片电路，用于存储所述激光器控制系统的上电启动流程配置参数。

8、在一个实施例中，所述mcu模块基于型号为stm32f103c8t6的芯片。

9、在一个实施例中，所述配置模块基于型号为at24c04d的芯片。

10、在一个实施例中，所述触控屏模块基于型号为dc80480m050_1111_0c的屏幕模块。

11、在一个实施例中，所述通信接口模块将1路ttl串口扩展至6路rs-232串口和2路ttl串口，所述接口转换功能基于型号为max3232idr的芯片，所述接口复用功能基于型号为cd4051bpwr的芯片。

12、在一个实施例中，所述激光器内部的各个设备模块包括1个种子源模块、2个泵浦模块和1个温控模块。

13、在一个实施例中，所述触控屏模块显示内容包括：激光器开机动画、所述激光器控制系统上电启动信息、所述种子源模块的当前的温度与功率和设置的温度与功率、当前多个所述泵浦模块的总泵浦输出功率和设置的总泵浦输出功率、当前用户模式、所述激光器控制系统的版本与版权信息和所述激光器内部的各个设备模块工作期间的告警信息。

14、在一个实施例中，所述激光器控制系统的配置参数包括所述种子源模块的温度与功率、所述多个泵浦模块的总泵浦输出功率、所述多个泵浦模块的总泵浦输出功率最大变化速率、所述温控模块的温度设置和所述激光器控制系统的上电启动流程配置。

15、在一个实施例中，所述调试功能采用usb接口作为调试接口与外部设备连接，所述调试功能包括测试所述mcu模块与所述激光器内部的各个设备模块的通信状态、监控所述激光器控制系统的运行状态、监控所述激光器内部的各个设备模块的运行状态、读写所述激光器控制系统当前和默认的上电启动流程配置参数。

16、第二方面，本发明还提供一种基于mcu的人机交互的连续光纤激光器控制方法，包括：

17、所述激光器控制系统上电时，所述mcu模块先等待用户通过所述调试接口发送特定指令进入调试模式并执行相关调试指令，若超出设定的固定时间，则通过读取所述配置模块存储的所述激光器控制系统的上电启动流程配置参数进行上电启动流程、初始化所述激光器内部的各个设备模块的参数配置，并通过所述触控屏模块和所述调试接口实时更新自检信息；

18、所述激光器控制系统上电时，所述mcu模块在上电启动流程中多次查询各个泵浦模块当前实际的最小输出功率，舍弃查询到的多个最小输出功率数据的最大值和最小值后取均值计算各个泵浦模块的平均最小输出功率，进而得到各个泵浦模块的实际可调输出功率范围和各个泵浦模块的实际可调输出功率范围占总可调泵浦输出功率范围的比例；

19、所述激光器控制系统运行时，所述触控屏模块根据当前用户模式提供相应的操作选项、响应用户的触控命令并发送对应指令给所述mcu模块和解析所述mcu模块发送的指令以更新显示内容；

20、所述激光器控制系统运行时，所述mcu模块在开始任务调度之前优先处理触控屏模块任务，其任务调度基于定时器中断，依据任务调度标志和当前调度的任务号依次调用其他任务；

21、所述激光器控制系统运行时，所述mcu模块解析接收到的所述触控屏模块的指令，并发送对应控制指令给所述配置模块或所述激光器内部的各个设备模块；所述mcu模块通过控制所述通信接口模块轮询所述激光器内部的各个设备模块的实时运行信息，发送对应指令给所述触控屏模块；

22、所述激光器控制系统运行时，所述mcu模块先根据上一次各泵浦模块的实际总输出功率和设定的总泵浦输出功率最大变化速率以及用户设定的泵浦模块总输出功率计算出当前泵浦模块应设置的总输出功率，再根据每个泵浦模块的平均最小输出功率和实际可调输出功率范围与当前设置的所述多个泵浦模块的总输出功率的比值来实时分配每个泵浦模块应设置的输出功率；

23、所述激光器控制系统运行时，所述mcu模块根据所述激光器内部的各个设备模块的实时运行信息通过所述调试接口输出所述激光器控制系统的运行状态和所述激光器内部的各个设备模块的运行状态；

24、所述激光器控制系统具有3种用户模式，分别为普通用户、超级用户和调试模式，所述激光器控制系统运行时默认为普通用户模式；在普通用户模式下，用户通过触控屏模块输入特定密码后变为超级用户模式，而在超级用户模式下，用户通过触控屏模块输入任意密码即可转换为普通用户模式；只有调试模式可以读写所述激光器控制系统的上电启动流程配置参数，超级用户模式可以读写所述激光器控制系统的除上电启动流程配置参数之外的配置参数，而普通用户模式无法修改系统的关键参数，例如种子源模块的温度和功率、增益光纤的温度和所述多个泵浦模块的总泵浦输出功率最大变化速率等。

25、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

26、第一，本发明所述激光器控制系统仅需单个mcu芯片即可完成对整个系统的控制，不需要额外的包括mcu芯片、fpga芯片、dsp芯片等在内的其它协处理器；

27、第二，本发明利用所述通信接口模块转换所述激光器内部的各个设备模块的通信接口和复用所述mcu芯片的某一个通信接口，使得所述激光器控制系统对所述mcu芯片本身通信接口的类别、数量和性能没有限制，对所述激光器内部的各个设备模块的通信接口也没有限制，可以灵活地根据实际需求选择所述mcu芯片的型号和所述激光器内部的各个设备模块；

28、第三，本发明提供所述调试接口便于在所述激光器上电启动时对所述激光器控制系统进行调试，支持可编程的上电启动流程，而在所述激光器运行时则根据用户模式的不同通过所述触控屏模块向用户提供对应的交互选项，达到了开放激光器控制权限的同时保障激光器安全稳定运行的有益效果，进一步地完善了不同用户模式下的使用体验；

29、第四，本发明在任务调度策略上优先处理触控屏模块任务，保证了用户交互的实时性，并且在一个任务循环周期内依据任务调度标志和当前调度的任务号依次调用其他任务，兼顾了所述激光器控制系统中各项任务不同的优先级和运行频率的需要；而且，所述任务调度策略无需实时操作系统的介入，进一步地降低了对所述mcu芯片的硬件存储资源的占用；

30、第五，本发明考虑到不同泵浦模块之间由于制造工艺、性能指标和其他因素造成的实际输出功率范围的差异，首先主动限制各泵浦模块的总输出功率的变化速率，然后根据各泵浦模块自身可调输出功率范围占系统总可调泵浦功率的比例实时分配每一个泵浦模块应输出的泵浦功率，保障了各泵浦模块的使用寿命的同时实现了每个泵浦模块的负载均衡。

31、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本发明。