基于51單片機(jī)的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)

郭子劍，郭 麗

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

1 背景概述

1.1 光功率定義

光功率是光在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。光功率常用單位是毫瓦(mW)和分貝(dB)，其中兩者關(guān)系為1mW=0dB，而小于1mW的分貝為負(fù)值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機(jī)說明書中，有其產(chǎn)品的發(fā)光和接收光功率，通常發(fā)光小于0dB。接收端所能夠接收的最小光功率稱為靈敏度，能接收的最大光功率減去靈敏度的值稱為動(dòng)態(tài)范圍，發(fā)光功率減去接收靈敏度是允許光纖損耗值。

1.2 使用分貝做單位主要有兩個(gè)好處

(1)數(shù)值較小，便于記錄。電路放大倍數(shù)通常數(shù)量級較大，有些大型電路甚至達(dá)到萬級以上。用分貝表示時(shí)，先轉(zhuǎn)化為對數(shù)，數(shù)值較小，便于記錄。(2)運(yùn)算方便。放大器級聯(lián)時(shí)，總的放大倍數(shù)是各級相乘。用分貝做單位時(shí)，總增益就是相加。如果某個(gè)功率放大器第一級的放大倍數(shù)是100倍(20dB)，第二級是20倍(13dB)，則總功率放大倍數(shù)為2 000倍，總增益33dB。

1.3 光功率計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對實(shí)際應(yīng)用，要選擇適合的光功率計(jì)，應(yīng)該關(guān)注以下各點(diǎn):

(1)選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型。

(2)評價(jià)校準(zhǔn)精度和編寫校準(zhǔn)程序，與光纖和接頭要求范圍相匹配。

(3)確定這些型號與測量范圍和顯示分辨率相一致。(4)具備直接插入損耗測量功能。

2 實(shí)驗(yàn)器件

光功率計(jì)探頭(光電傳感器)，P89V51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板，RC低通濾波電路，TL074，CS5550，導(dǎo)線若干。

3 各功能模塊詳解

圖1 系統(tǒng)流程圖

3.1 光功率計(jì)探頭

光功率計(jì)探頭，是光信號轉(zhuǎn)換為電信號的核心部件。探頭帶有光電傳感器，用來接收被測光源的輻射并將其轉(zhuǎn)換為電流信號。探頭采用雙線正負(fù)兩個(gè)端口輸出。當(dāng)被檢測光源強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，傳感器輸出的電流會(huì)隨之改變。我們通過對電流量變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析最終獲得外部光源的光功率變化參數(shù)。

3.2 I/U 變換

光功率探頭輸出小電流信號。電流信號與電壓信號相比，長距離傳輸抗干擾性能較好。但是由于本次試驗(yàn)距離較短，同時(shí)為了與后面電壓放大器相匹配，所以要轉(zhuǎn)換為電壓信號。連接時(shí)，光功率探頭的輸出正端口接入轉(zhuǎn)換電路輸入端，負(fù)端口與I/U變換電路共地連接。圖2電路圖中，J1為檔位調(diào)節(jié)開關(guān)。

圖2 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

3.3 運(yùn)算放大電路

將電壓信號通過儀用放大器進(jìn)行放大。儀用放大器設(shè)計(jì)簡單、放大效果好并且能夠通過滑動(dòng)電阻調(diào)整增益，便于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓信號、保護(hù)ADC芯片的輸入量程、保護(hù)電路等。

關(guān)于放大電路和I/U信號轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)放芯片的選取，本設(shè)計(jì)采用TL074芯片。TL074芯片低功耗，低成本，擁有較低的輸入偏置和低噪聲，高輸入阻抗及電流補(bǔ)償，同時(shí)是具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)囊豢畛Ｒ娦酒?。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電壓放大電路

圖3中電阻阻值R11=R10=R=R13=R12R7=R9

3.4 低通濾波器

由于光電信號的變化屬于低頻范圍，并且通過放大器引入的噪聲不大，頻率成分比較單一，濾波器階數(shù)不需要太高，所以普通有源低通濾波器就可以滿足實(shí)驗(yàn)的去噪要求。

3.5 AD 轉(zhuǎn)換電路

由于光信號為低速信號，我們選用CS5550與單片機(jī)相連接。

CS5550是CIRCUS LOGIC公司出的一款雙通道Δ-Σ串行AD芯片。芯片具有促進(jìn)補(bǔ)償和校準(zhǔn)增益的功能。同時(shí)，具有SPI數(shù)字雙向串行接口可以與單片機(jī)等MCU設(shè)備連接通訊。

圖4 CS5550總線寫入數(shù)據(jù)時(shí)序圖

CS5550串行端口與配有收發(fā)緩沖器的狀態(tài)機(jī)相配合。由狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)在SCLK的上升沿翻譯8位字節(jié)命令。ADC的工作都是由內(nèi)部24位寄存器所控制。

8位讀寫命令告訴狀態(tài)機(jī)是否進(jìn)行寄存器的訪問。在讀出操作時(shí)，對應(yīng)寄存器被載入芯片的輸出緩沖器，同時(shí)在時(shí)鐘SCLK的控制下輸出。在寫入操作時(shí)，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘控制下寫進(jìn)輸入緩沖器，所有24位數(shù)據(jù)在第24個(gè)SCLK之后完全轉(zhuǎn)換入對應(yīng)寄存器。

SPI串行總線接口

CS5550串行總線包括四個(gè)控制線:CS，SDI，SDO和SCLK。CS作為芯片選擇控制，用于使能對于串行接口的訪問。當(dāng)CS為低電平時(shí)，端口成為SPI總線端口。SDO用作串行輸出，用于輸出被AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號。當(dāng)CS置為高電平時(shí)，SDO的輸出成高阻狀態(tài)。SCLK用作串行總線時(shí)鐘，控制數(shù)據(jù)進(jìn)出ADC的串行端口。只有在CS為低電平之后，SCLK的變化才可以被端口邏輯所識(shí)別。

關(guān)鍵代碼如下:

//外部中斷服務(wù)函數(shù)

3.6 P89V51 單片機(jī)

選用PHILIPS公司生產(chǎn)的P89V51RD2芯片。該芯片擁有80C51型號CPU，四個(gè)八通道I/O口，三個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)64KFLASH MEMORY等。單片機(jī)的P2口接CS5550的八位輸出端。

圖5 單片機(jī)與CS5550的連接原理圖

3.7 單片機(jī)串口通訊

將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果通過串口發(fā)送到PC中進(jìn)行軟件處理，繪制圖線等，可以得到更加準(zhǔn)確的光功率值。如MATLAB軟件可以將其單位轉(zhuǎn)化為dB形式，并將變化曲線描繪出來，從而更加直觀地看到測試結(jié)果。也可以利用LabVIEW軟件制作一個(gè)虛擬的顯示屏，從而實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。

4 光功率計(jì)的發(fā)展前景

光功率計(jì)用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗。在光纖系統(tǒng)中，光功率的測量十分重要。通過測量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對功率，一臺(tái)光功率計(jì)就能夠評價(jià)光端設(shè)備的性能。將光功率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用，能夠測量連接損耗、檢驗(yàn)連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)校正需借助專業(yè)光功率計(jì)。將測試結(jié)果與光功率計(jì)的真實(shí)測量結(jié)果進(jìn)行修正和擬合，我們發(fā)現(xiàn)在光強(qiáng)變化緩慢的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值相近，符合實(shí)驗(yàn)要求。但是在高頻測量場合效果不理想，需要高性能的光感探頭和高速AD轉(zhuǎn)換器。

［1］曾光宇，張志偉，張存林.光電檢測技術(shù)［M］.第2版.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［2］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，1980.

［3］張俊謨.單片機(jī)中級教程:原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.