基于Zigbee的光纖功率計(jì)的設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于Zigbee的物聯(lián)網(wǎng)光纖功率計(jì)，該光功率計(jì)采用光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，利用高性能運(yùn)放TLC2652和18位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX132以保證測(cè)量精度；選用ST12系列單片機(jī)來(lái)控制信號(hào)的檢測(cè)，處理與顯示以及與CC2530的通信。這些光纖功率計(jì)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，與一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光纖功率計(jì)測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)傳輸和集中監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：光纖功率計(jì)；物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；Zigbee；CC2530

1引言

隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展， 對(duì)于光纖傳輸光的監(jiān)測(cè)與測(cè)量顯得尤為重要。光纖功率計(jì)可測(cè)量光發(fā)射機(jī)的輸出功率及輸出功率穩(wěn)定度、光傳輸線路中的平均傳輸功率、光接收端機(jī)的靈敏度、各種無(wú)源器件的插入損耗和衰減量等，是通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護(hù)、科研和生產(chǎn)中普遍使用的通信儀表[1]。

光功率的測(cè)試是通信專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中非常重要，也是很常用的一個(gè)項(xiàng)目。而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師希望能實(shí)時(shí)查看學(xué)生在各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)這一應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款基于Zigbee技術(shù)的光纖功率計(jì)。

2光功率計(jì)硬件設(shè)計(jì)

光功率計(jì)測(cè)量硬件由光信號(hào)檢測(cè)、電信號(hào)處理、MCU控制，結(jié)果顯示和無(wú)線收發(fā)5部分組成。

2.1光信號(hào)檢測(cè)

光電檢測(cè)器是轉(zhuǎn)換的光電核心部分，選擇是否合適在很大程度上影響光功率計(jì)的性能。隨著近幾年P(guān)IN光電二極管等新型光電探測(cè)器的廣泛研究及開發(fā)，其在對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)上，不僅檢測(cè)精度有所提高，而且受工作環(huán)境因素影響較小，所以在本設(shè)計(jì)中采用InGaAs-PIN光電二極管[2]。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大

在微弱信號(hào)的測(cè)量中，常常需要放大微伏級(jí)的電信號(hào)。這時(shí)，普通的運(yùn)算放大器已無(wú)法使用了，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。雖然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移是難以消除的。德州儀器公司生產(chǎn)的斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器提供了一種解決微信號(hào)放大問(wèn)

題的廉價(jià)方案，TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，TLC2652非常適合用于微信號(hào)的放大[3]。

光電檢測(cè)器檢測(cè)的光電流很小，需要對(duì)它進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)選用TI儀器公司的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652做模擬放大，可以滿足本設(shè)計(jì)對(duì)微弱信號(hào)放大的需要。

2.3 信號(hào)采集，處理與顯示

經(jīng)放大電路放大后的電信號(hào)為模擬信號(hào)，需通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入MCU進(jìn)行處理，選用±18 位串行高精度低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器MAX132[4]。MAX132與單片機(jī)通過(guò)串口相連，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。單片機(jī)可選STC12雙串口單片機(jī)，由單片機(jī)完成信號(hào)控制與處理的功能。單片機(jī)將接收到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)處理后送于液晶屏顯示，與此同時(shí)還會(huì)將測(cè)量信息通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片CC2530將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

單片機(jī)接收按鍵信息，可實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)，波長(zhǎng)選擇，測(cè)量結(jié)果單位轉(zhuǎn)換等功能。

2.4 無(wú)線收發(fā)部分

選用TI的芯片CC2530，與ST12單片機(jī)通過(guò)串口相連。CC2530是TI公司推出的第二代ZigBee無(wú)線射頻芯片。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器增強(qiáng)型的8051CPU和系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，可運(yùn)行TI官方的ZigBee2007協(xié)議棧，更適用于超低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

二、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，并外接以太網(wǎng)模塊ENC28J60和WiFi模塊，可利用以太網(wǎng)模塊加有線的雙絞線與教師機(jī)服務(wù)器通信，亦可以利用WiFi模塊通過(guò)無(wú)線與教師機(jī)服務(wù)器通信，將協(xié)調(diào)器接收的各個(gè)光功率計(jì)傳來(lái)的測(cè)量結(jié)果發(fā)送到教師機(jī)服務(wù)器。

ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)模塊是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過(guò)濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。同時(shí)ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算，與主控制器的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mb/s。

三、組網(wǎng)模式

ZigBee支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)三種zigbee網(wǎng)絡(luò)[5]。星形拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的一種拓?fù)湫问剑粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一系列的終端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，本設(shè)計(jì)中采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示。

星形組網(wǎng)圖

各個(gè)光功率計(jì)為終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)地傳送到教師機(jī)，教師可實(shí)時(shí)查看多個(gè)學(xué)生節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

四、總結(jié)

設(shè)計(jì)中選擇了高性能InGaAs光電探測(cè)器、18位A /D轉(zhuǎn)換芯片、ST12高速單片機(jī)，保證了準(zhǔn)確測(cè)量光纖中傳輸?shù)墓夤β剩?將測(cè)量結(jié)果顯示在液晶屏幕上。并將測(cè)量值通過(guò)無(wú)線收發(fā)器CC2530發(fā)射出去，各個(gè)帶有無(wú)線收發(fā)器CC2530的光功率計(jì)將測(cè)量結(jié)果均可傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又可以通過(guò)有線和無(wú)線兩種方式接入服務(wù)器，故我們?cè)诜?wù)器上可實(shí)時(shí)查看各光功率計(jì)的測(cè)量結(jié)果。

而這一設(shè)計(jì)不僅對(duì)于光纖功率計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有幫助，亦可借鑒到其他儀表的測(cè)量應(yīng)用中，而這樣一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光功率計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，也可以將各個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量值實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控端，對(duì)于情況的掌握將發(fā)揮很大的幫助作用。此設(shè)計(jì)可滿足高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和光通信施工部門的施工檢測(cè)與維護(hù)需求。在光信息、光通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]周隨霞，黃啟俊，常勝.一種便攜式光纖功率計(jì)的設(shè)計(jì)方法[J].電子工程師，2007（1），3-5.

[2]姚志紅，宋壽鵬，胡曉婷. 基于STM32的光功率計(jì)的設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)，2015，（11）：126-130.

作者簡(jiǎn)介：

張艷（1981.07）女，漢，本科碩士，講師，從事控制類高等教育研究。endprint