實(shí)時(shí)光柵衍射效率測(cè)量的光功率采集器設(shè)計(jì)

高　正,鄭繼紅,桂　坤,王青青,王康妮,高　輝,陸飛躍,李道萍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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實(shí)時(shí)光柵衍射效率測(cè)量的光功率采集器設(shè)計(jì)

高正,鄭繼紅,桂坤,王青青,王康妮,高輝,陸飛躍,李道萍

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對(duì)常用光功率計(jì)通道單一、測(cè)量過(guò)程復(fù)雜以及自動(dòng)化程度較低等缺陷,設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)光柵衍射效率測(cè)量的雙路光功率自動(dòng)采集器?；谄胀ü夤β视?jì)的理論和實(shí)際設(shè)計(jì)方法,提出設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)硬件方面包括前置放大電路、電源升壓電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路以及串口通信電路的設(shè)計(jì)。在軟件方面完成了A/D轉(zhuǎn)換控制程序以及數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算與存儲(chǔ)程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用633 nm作為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)激光波長(zhǎng),測(cè)量功率范圍在0.01~10 mW,設(shè)計(jì)完成后,光柵衍射效率測(cè)量精度保證在±4.5%。

關(guān)鍵詞光功率計(jì);單片機(jī);衍射效率;A/D轉(zhuǎn)換

Design of Real-time Optical Power Acquisition System Based onGrating Diffraction Efficiency Measurement

GAO Zheng,ZHENG Jihong,GUI Kun,WANG Qingqing,WANG Kangni,GAO Hui,LU Feiyue,LI Daoping

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractThis paper designs a real-time automatic dual path optical power meter based on grating diffraction efficiency measurement in view of the flaws of ordinary optical power meters such as signal channel,complex measurement process and low degree automation.The design scheme is proposed based of the theory of common power meter.The hardware of this design consists of the preamplifier circuit,power boost circuit,A/D converter circuit,SCM control circuit and serial communication circuit design.The programs of A/D conversion control and data transmission,calculation and storage are designed as well.The working band of the design is 633 nm,and the measuring range of the two-way optical power is from 0.01 to 10 mW.The accuracy of the design is kept at ±4.5%

Keywordsoptical power meter;microchip;diffraction efficiency;A/D conversion

在光纖通信以及相關(guān)光電技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)中,光功率是一項(xiàng)重要的參數(shù),不僅需要精確測(cè)量光功率的數(shù)值,還需要利用測(cè)得的光功率值計(jì)算出光衍射效率等相關(guān)參數(shù)[1]。綜合國(guó)內(nèi)外近幾年光功率計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)主要可歸為兩類:一類是具有極高的測(cè)量性能、價(jià)格偏高的臺(tái)式光功率計(jì),例如2007年Agilent推出的N7745A具有8通道,功率范圍10-8~10 mW,最小采樣時(shí)間可達(dá)1 μs,而且功率總體不確定度在±4.5%。另一類則是成本不高、測(cè)量精度要求相對(duì)較低的手持式光功率計(jì)[2]。雖然市面上光功率計(jì)在光學(xué)測(cè)量性能和精度上都能達(dá)到較高要求,但在一些光學(xué)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng),如全息光柵制作中,更需要帶有數(shù)據(jù)處理功能的雙通道甚至是多通道光功率探測(cè)器。

為此,本文針對(duì)在聚合物分散液晶電控全息動(dòng)態(tài)光柵中,對(duì)實(shí)時(shí)光柵衍射效率測(cè)量顯示的需求,設(shè)計(jì)了光電轉(zhuǎn)換探測(cè)集成式雙通道衍射效率探測(cè)儀器,在滿足任務(wù)需求的同時(shí),達(dá)到了測(cè)量范圍和精度要求,具有良好的測(cè)量效果。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示為雙路光功率采集器總體框圖,光功率計(jì)的主要組成模塊是由光電轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)處理[3]、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)輸出組成。

圖1　雙路光功率采集器總體框圖

光電轉(zhuǎn)換器是將光輻射出的能量轉(zhuǎn)換成一種便于測(cè)量的物理量的器件,設(shè)計(jì)采用兩個(gè)性能相同的Astral系列激光功率計(jì)光電二極管探頭的AP30光電轉(zhuǎn)換器作為光電轉(zhuǎn)換模塊,對(duì)光柵的透射光和衍射光進(jìn)行同步探測(cè),實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)兩路不同功率的光信號(hào)。

2光功率計(jì)硬件設(shè)計(jì)

2.1放大電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大濾波電路對(duì)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波,激光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出微弱的電壓信號(hào),考慮受到背景噪聲、電路噪聲、元器件噪聲等影響,因此設(shè)計(jì)連接一個(gè)低噪聲放大電路[4]對(duì)微弱電壓信號(hào)進(jìn)行放大,以滿足后級(jí)電路的阻抗匹配[5-6]。

2.2DC-DC電源升壓電路的設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)計(jì)中采用USB供電,需要將+5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成±12 V的直流電壓。采用Maxim公司的Max743作為DC-DC電源升壓電路的升壓芯片。 如圖2所示,+5 V電壓從Max743的V+端輸入,經(jīng)過(guò)升壓分別輸出+12 V和-12 V,實(shí)現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換的功能。

圖2　DC-DC電源升壓電路

2.3單片機(jī)的選擇與A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用意法半導(dǎo)體(ST)公司STM32F103增強(qiáng)型系列單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)部集成了可用雙通道A/D轉(zhuǎn)換單路。因此經(jīng)過(guò)放大電路放大后的信號(hào),從單片機(jī)的模擬量輸入端口輸入,經(jīng)過(guò)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換電路,就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換[7-9]。

2.4數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

在完成數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換后,需要對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ),由于光柵的透射光和衍射光要被同時(shí)探測(cè),因此需要同時(shí)采集兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理和存儲(chǔ),以方便設(shè)計(jì)后續(xù)的計(jì)算工作。系統(tǒng)中選擇MAX232作為通信電路進(jìn)行PC機(jī)與單片機(jī)通信設(shè)計(jì)電路[10]。

3光功率計(jì)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件部分主要包括A/D轉(zhuǎn)換控制程序和數(shù)據(jù)處理與傳輸程序。首先經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào),然后利用A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并通過(guò)單片機(jī)將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至PC機(jī),處理得到最終的光功率數(shù)據(jù)[11]。

3.1A/D轉(zhuǎn)換控制程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以Keil作為程序設(shè)計(jì)軟件,ADC連續(xù)采集2路模擬信號(hào),并由DMA傳輸?shù)絻?nèi)存。ADC配置為掃描并且連續(xù)轉(zhuǎn)換模式,ADC的時(shí)鐘配置12 MHz。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,由DMA循環(huán)將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中。A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)流程如圖3所示[11]。

圖3　A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)流程

3.2數(shù)據(jù)處理與傳輸程序設(shè)計(jì)

本文采用串口傳輸?shù)姆绞綄?duì)采集到的光功率信號(hào)進(jìn)行接收和保存,在滿足數(shù)據(jù)傳輸和處理標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,對(duì)串口的初始值進(jìn)行配置和對(duì)光功率值進(jìn)行采集和接收。串口初始化和配置程序如下

USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;//波特率設(shè)置

USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)格式

USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//一個(gè)停止位

USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//無(wú)奇偶校驗(yàn)位

USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;//無(wú)流量控制

USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;//收發(fā)模式

USART_Init(USART1,&USART_InitStructure);//串口初始化

USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE);//開啟中斷

USART_Cmd(USART1,ENABLE);//使能串口

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)硬件部分的設(shè)計(jì)和測(cè)試以及軟件部分的編寫和調(diào)試,設(shè)計(jì)的雙路實(shí)時(shí)光功率采集器工作正常,可以用串口上位機(jī)界面實(shí)時(shí)同步得到經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值,設(shè)計(jì)完成的雙路光功率采集器實(shí)物如圖4所示,其工作界面和接收演示結(jié)果如圖5所示。

圖4　實(shí)物圖

圖5　工作界面和接收演示結(jié)果圖

4.1定標(biāo)

在功率計(jì)硬件和軟件部分組裝完成后,對(duì)功率計(jì)的性能進(jìn)行測(cè)試,并進(jìn)行定標(biāo)和量程確定。首先用標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)分別對(duì)固定功率點(diǎn)的功率值進(jìn)行測(cè)量和記錄,然后分別在對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)用自制的功率計(jì)測(cè)量一組電壓數(shù)據(jù)并取平均值,通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)測(cè)量的功率值和自制功率計(jì)測(cè)量的電壓值進(jìn)行函數(shù)擬合,找出了擬合度最高的相關(guān)函數(shù)。通過(guò)擬合,可得到標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)功率值和自制功率計(jì)功率值之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)函數(shù)擬合,得到擬合函數(shù)

f(x)=257.8×x5-2 164×x4+7 256×x3+12 140×x2+10 120×x-3 366

將擬合出的函數(shù)式寫入程序,再次用自制的功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)分別對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,統(tǒng)計(jì)出一組對(duì)應(yīng)的功率測(cè)量值,通過(guò)兩條功率值曲線可以看出,本文研制的功率計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)誤差微小,均方根誤差為0.039 3,如圖7自制光功率計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)功率對(duì)比圖所示,兩條曲線基本重合。

圖6　擬合函數(shù)曲線

圖7　自制光功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)功率對(duì)比圖

4.2系統(tǒng)測(cè)試與分析

為測(cè)試系統(tǒng)功能,在對(duì)雙路功率計(jì)分別定標(biāo)之后,對(duì)電控條件下光柵的透射光和衍射光進(jìn)行測(cè)量[12],透射光和衍射光的變化曲線如圖8(a)所示,隨著電控電壓的增加,透射光功率逐漸增強(qiáng),衍射光功率逐漸減弱,符合全息光柵的電控特性。圖8(b)為光柵衍射效率變化曲線,根據(jù)所測(cè)得的透射光和衍射光的光功率數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制,隨著電控電壓的增強(qiáng),衍射效率越來(lái)越小,符合全息光柵的電控特性,滿足實(shí)驗(yàn)需求。

圖8　光功率測(cè)試曲線

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種雙路同步采集的光功率計(jì),系統(tǒng)硬件包括穩(wěn)壓電源模塊、放大電路模塊和通訊模塊,采用C++對(duì)雙路光功率計(jì)的軟件部分進(jìn)行了編寫,包括A/D轉(zhuǎn)換、采樣保持以及DMA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等程序,實(shí)現(xiàn)了對(duì)全息光柵的透射光和衍射光的光功率實(shí)時(shí)探測(cè),并得到衍射效率。在保證采集速度、采集精度的前提下,擴(kuò)展了現(xiàn)有光功率計(jì)的探測(cè)通道數(shù),并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)探測(cè)功能。因此,相對(duì)于目前大多數(shù)功能單一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該設(shè)計(jì)具有通用性強(qiáng)、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),具有較好的推廣和實(shí)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)TN929.11;TH741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-126-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.032

作者簡(jiǎn)介:高正(1989—),男,碩士研究生。研究方向:精密儀器與儀器儀表技術(shù)。鄭繼紅(1975—),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師。研究方向:光學(xué)信息處理等。桂坤(1989—),男,博士研究生。研究方向:光學(xué)信息處理。

基金項(xiàng)目:上海市研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(JWCXSL1402);上海市教委重點(diǎn)科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(14ZZ138)

收稿日期:2015- 09- 16