基于MSP430的光萬用表設(shè)計與實現(xiàn)

石 巖， 宛 涌， 周啟平， 鄺 堅

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院，安徽合肥230001；2.北京郵電大學(xué)北京市智能通信軟件與多媒體重點實驗室，北京100876)

0 引 言

MSP430系列CPU是德州儀器公司推出的超低功耗RISC混合信號處理器，該微處理器工作電壓1.8V-3.6V，工作電流視不同模式為0.1uA-400uA，很大程度上節(jié)省了系統(tǒng)功耗，同時還具有豐富的片上外圍模塊，在手持式儀表設(shè)備及功耗要求高的儀器設(shè)計上應(yīng)用越來越廣泛。

手持式光功率計和光源是電信工程與維護(hù)、光通信研究與教學(xué)中十分常用的設(shè)備，并經(jīng)常搭配使用。將光功率計和穩(wěn)定光源組合在一起稱為光萬用表，它常用來測量光纖鏈路的光功率損耗。國內(nèi)采用MSP430設(shè)計的光萬用表系統(tǒng)設(shè)計研究還不多，本設(shè)計利用其自帶的16位A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器，再加上外圍電路，分別實現(xiàn)了光功率測量和穩(wěn)定光源功能。

1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

手持式光多用表采用2節(jié)AA電池并聯(lián)供電，包含1路光測量通道，1路中心波長1310nm的紅外光輸出通道，同時具有電壓監(jiān)測功能。在硬件組成上以MSP430F4250為核心，其中包括由光電轉(zhuǎn)換器、量程轉(zhuǎn)換、低通濾波電路構(gòu)成的功率檢測模塊，由激光器模塊和恒流源構(gòu)成的光源模塊，以及電源、USB模塊、LCD顯示器、鍵盤等外圍模塊。整體硬件框架圖如圖1所示。

1.1 MCU單元

MSP430F4250最大特點在于其內(nèi)部集成的5通道16位/D轉(zhuǎn)換器，這就為微弱信號的高精度測量提供了硬件基礎(chǔ)，本設(shè)計中用了2路A/D轉(zhuǎn)換器模塊，一路用來測量光功率，一路用來作為電壓電源監(jiān)測。另外，它的內(nèi)部還集成了可用于控制恒流源的12位D/A轉(zhuǎn)換器，以及32個I/O端口。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

1.2 電源

本系統(tǒng)采用2節(jié)并聯(lián)的 AA電池通過 DC/DC芯片LTC3400升壓到3.3V為系統(tǒng)供電，用戶可以僅用1節(jié)電池就可以使用這款儀表，十分方便。凌特公司的LTC3400，啟動電壓低至0.85V，開關(guān)頻率1.2M，并有高達(dá)92%的轉(zhuǎn)換效率，特別適合于便攜式儀表的供電。

通常為了滿足運放的雙電源需要，系統(tǒng)的-3.3V電壓一般由專門的集成電路生成，好處是電路設(shè)計方便，負(fù)載能力較好。但是由于本設(shè)計中僅有2個運放用到負(fù)電壓，需要的電流并不大，而且多用一個集成電路及其外圍器件，不僅不利于降低成本而且浪費了本就有限的PCB布線空間。這里創(chuàng)新性的采用了LTC3400和其它器件組成-3.3V的電壓產(chǎn)生電路，該電路具有10mA的驅(qū)動能力，足夠使用，節(jié)省了設(shè)計成本和PCB空間。如圖2所示。

圖2 電源模塊

為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，延長待機時間，在LCD屏和運放電源的輸入端通過由三極管等器件組成的開關(guān)電路，配合軟件設(shè)計，在需要時可將部分模塊的電源切斷。

1.3 光電探測電路

光電二極管的探測方式有光電導(dǎo)模式和光電壓模式兩種。在光電導(dǎo)模式下，需要給光電二極管加上方向偏置電壓，存在暗電流，會有較大的噪聲；在光電壓模式下，光電二極管處于零偏狀態(tài)，不存在暗電流，噪聲較低，線性度較高。比較后選擇光電壓模式?；緳z測電路如圖3所示。

器件選擇方面，光電探測器采用武漢昱升公司的YSPD718型，其暗電流約為1nA，響應(yīng)時間0.5ns，具有線性度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，滿足光功率測量的要求。前級運放選用低電壓Rail-to-Rail運放LTC2054，它具有高達(dá)1T的輸入電阻，130dB的共模抑制比，輸入偏置電流低于1pA，噪聲1.6 Vp-p，溫漂低至30nV/℃。

圖3 基本檢測電路

1.4 I/V轉(zhuǎn)換及程控轉(zhuǎn)換

被測光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)變成電流信號，然后經(jīng)前置放大器進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，并自動進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，輸出電壓信號。此電壓信號經(jīng)過低通濾波后輸入到單片機的 ADC輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。

光電探測前端電路結(jié)構(gòu)采取光電壓模式，這種模式的特點是：光電二極管處于零偏狀態(tài)，不存在暗電流Id，有較低的噪聲，線性好。

量程轉(zhuǎn)換電路由圖4中的基本檢測電路經(jīng)過模擬開關(guān)，擴展成8路結(jié)構(gòu)上相同的I/V轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，每相鄰兩個測量通路上的電阻的阻值相差十倍，使得每相鄰兩個量程的的測量范圍相差十倍，并在每個電阻上并聯(lián)一個電容，以減小噪聲，穩(wěn)定信號。

圖4 測量前端數(shù)據(jù)流

轉(zhuǎn)換后輸出電壓設(shè)定在0.12V-2.0V，在電壓低于0.12V而切換更高量程或高于2.0V而切換至低量程時，可以有0.08V的緩沖余量而避免量程反復(fù)切換造成的測量不穩(wěn)定。另外，當(dāng)待測電流低于0.01 A時，由于有用信號較弱，不可避免的噪聲會使測量值跳動較大，為保證測量的穩(wěn)定度，第7及第8量程的積分電容比第1～6量程大一個數(shù)量級。

1.5 激光光源模塊

1.5.1 單波長激光器

本設(shè)計采用武漢昱升光器件公司生產(chǎn)的YSLD3118型紅外激光器，該型多量子阱F-P腔激光器的閾值電流15mA，中心波長1310nm，穩(wěn)定性高，線性范圍廣，適合于手持式光功率計的設(shè)計要求其主要參數(shù)表如表1所示。

表1 YSLD3118型激光器主要參數(shù)

1.5.2 光源驅(qū)動電路

激光管工作電流設(shè)定在20mA-30mA，為了獲得較為穩(wěn)定的橫流源電路，電路采用電壓閉環(huán)反饋控制方式。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Ui一定時，由“虛斷可知”激光二極管上D1上的電流 Io=Ic=U0/Ri，由“虛短”可知 Uo=Ui，所以 Io=Ui/Ri，即

僅由運放輸入電壓Vi確定，因此我們可以通過設(shè)定D/A的輸出電壓來控制發(fā)光功率，由于是閉環(huán)反饋系統(tǒng)，且采樣電阻Ri精度很高，只要在OP07的3腳輸入相應(yīng)的穩(wěn)定電壓可以相應(yīng)的調(diào)整D2的工作電流。

關(guān)于電阻Ri的選型：如果過大，則采樣功率過高，對其溫度穩(wěn)定要求高，因而成本呈指數(shù)提高，且由于激光二極管的工作電壓在2V以上，為了保證它的工作電壓，Ri上的壓降應(yīng)設(shè)計在0.5V，即電阻Ri≦0.5/0.03=；而如果Ri選擇過小，則可能造成直流誤差以及由于電路增益的增大而造成的噪聲增大。綜合兩種可慮，這里將電阻Ri設(shè)置為10歐姆。如圖5所示。

圖5 光源驅(qū)動電路

1.6 LCD顯示屏

由于MSP430F4250可直接驅(qū)動56段LCD顯示屏，也可以普通I/O口作為顯示屏的數(shù)據(jù)總線，在本設(shè)計中采用的是P1口。A/D端口采樣所得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可直接顯示在LCD顯示屏上并同步刷新。本例的LCD設(shè)計示意圖如圖6所示。

圖6 LCD顯示屏

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件采用順序執(zhí)行、無限循環(huán)的方式進(jìn)行設(shè)計，功率計部分由于需要處理的數(shù)據(jù)較多因而占用了較多的軟件資源。在長時間無人操作儀表的情況下，可以設(shè)置定時關(guān)機或使儀表進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到有人操作才可以喚醒系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

2.2 軟件濾波

為了更好的抑制A/D采樣過程中的噪聲，本設(shè)計采用防脈沖干擾平均濾波法。因為采樣數(shù)據(jù)如果過大則浪費了系統(tǒng)資源和有限的RAM空間，而如果采樣速率過低則無法保證對被測信號有足夠的靈敏度，設(shè)計中的A/D采樣速率定在20Hz，然后去除3個最大數(shù)和3個最小數(shù)，對剩余的14個數(shù)取平均數(shù)作為實測數(shù)據(jù)。這樣就有效的克服因光電探測器及其它因素引起的波動干擾，同時又具有較高的靈敏度。

2.3 量程自動轉(zhuǎn)換

量程轉(zhuǎn)換要解決的主要問題每個量程邊界部分的切換不穩(wěn)定，即當(dāng)測得數(shù)據(jù)恰巧超出量程N邊界并滿足切換條件時，系統(tǒng)將量程N切換到N+1，但是切換后數(shù)據(jù)仍然處于量程邊界，這時很小的數(shù)據(jù)變化又會導(dǎo)致系統(tǒng)將量程回切到N，這個問題使得測得的數(shù)據(jù)始終處于不穩(wěn)定區(qū)域，顯示的數(shù)據(jù)來回變化。為了避免出現(xiàn)這種情況，本設(shè)計使用了一個巧妙的方法，令量程電壓上限為10A，下限為A-P，這樣當(dāng)測得電壓Q超過10A時，會因為程序?qū)⒘砍虦p小一級從而使得測得電壓為A，與下限電壓有P的間隔，從而實現(xiàn)量程的穩(wěn)定切換。如圖8所示。

圖8 量程切換

3 數(shù)據(jù)處理

使用中電集團四十一所的AV系列臺式光功率計作為標(biāo)準(zhǔn)儀表，輸出波長設(shè)為1310nm，數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄如表2所示。

表2 功率模塊實測數(shù)據(jù)

從表2中可以看出，這款萬用表的光功率測試不確定度小于0.3dBm，完全符合手持式光功率計的要求。誤差主要來源于光電二極管自身的一致性誤差以及測量范圍的邊界線性誤差，通過在軟件上進(jìn)行校正可以取得更好的測量效果。

為了對初測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性校正，本設(shè)計不直接對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，而是用Matlab軟件對測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值R=Pt/Ps，進(jìn)行線性擬合，得到比例系數(shù)= +，則最終測量結(jié)果為。其中，Pt是多個探測器的測量值平均值。如圖9所示。

圖9 測量值與標(biāo)準(zhǔn)值比值R的線性擬合

實際測量中，光測量模塊線性度良好，不確定度低于0.3dBm。而光源模塊功率可在0dBm到-65dBm之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出紅外光穩(wěn)定性較高，完全符合實際工程使用要求。

4 功能擴展

除了前文所述已實現(xiàn)的功能外，還可以利用剩余的3路A/D轉(zhuǎn)換器對儀表功能進(jìn)行擴展，設(shè)計成2-4個測量通道的光功率測量系統(tǒng)。另一個實用的擴展是加上USB通信功能，這樣便可利用PC機實時監(jiān)控光萬用表測量情況，或者進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使得測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力更加強大。這里使用的USB管理芯片是南京沁恒電子的CH375，該芯片支持USB2.0通信協(xié)議，并且易于使用。

5 結(jié)束語

本文針對基于MSP430的手持式高精度光萬用表給出了軟硬件設(shè)計實現(xiàn)方法，系統(tǒng)充分利用了超低功耗單片機MSP430的片上資源，實現(xiàn)了幾個實用的功能，并且整體特性良好。在實際測量中，該儀表內(nèi)部光源穩(wěn)定、可調(diào)，光功率測量精準(zhǔn)，其分辨率0.01dBm，在僅使用光功率測量功能時，工作電流小于20mA，功耗極低，使用單節(jié)AA電池即可工作，減輕了儀表重量。同時儀表還具有可擴展USB通信功能，可以實現(xiàn)對待測光纖通路的遠(yuǎn)程實時檢測，提高了產(chǎn)品的附加值，符合現(xiàn)代手持式智能儀表的要求，具有較高的市場前景。

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