基于STM8的激光功率計(jì)的設(shè)計(jì)

于寶堃　李星宇　李玉潔　張達(dá)強(qiáng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于STM8的激光功率計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)和固件程序，并對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析。該功率計(jì)采用STM8S208MBT作為微控制器，通過(guò)PIN硅光電二極管實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并利用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大和濾波；同時(shí)，采用16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7606-4，以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度。通過(guò)LCD顯示屏，用戶(hù)可實(shí)時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：該功率計(jì)成本低，測(cè)量精度高，滿(mǎn)足工程中對(duì)激光測(cè)量的要求。

關(guān)鍵詞：STM8；PIN硅光電二極管；濾波；AD7606-4

中圖分類(lèi)號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1009-3044（2018）15-0266-03

Design of Laser Power Meter Based on STM8

YU Bao-kun，LI Xing-yu，LI Yu-jie，ZHANG Da-qiang

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300457， China）

Abstract： This paper designed the hardware structure and firmware program of a kind of laser power meter based on STM8， and analyzed the system error. The laser power meter used STM8S208MBT as micro-controller， with the use of PIN silicon photodiode to realize photoelectric conversion. By the use of operational amplifiers， it completed the transform， amplification and filter of the signal. At the same time， a 16-bit A/D conversion chip AD7606-4 was used to ensure accuracy of system. User can get measurement result of system in time by LCD display. The actual test results showed： the laser power meter has the advantages of low cost， high precision， which can meet demand of laser measurement in engine.

Key words： STM8； PIN silicon photodiode； filter； AD7606-4

隨著半導(dǎo)體工業(yè)的快速發(fā)展，激光技術(shù)已在通信、測(cè)量、驗(yàn)鈔等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而激光功率作為激光源的一項(xiàng)重要參數(shù)，決定了激光源的性能，如何快速檢測(cè)激光源的功率已成為信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。針對(duì)目前市場(chǎng)上激光功率計(jì)價(jià)格高、測(cè)量波長(zhǎng)范圍較小、測(cè)試精度低等缺點(diǎn)[1]，設(shè)計(jì)了一款基于STM8的高精度便攜式激光功率計(jì)，通過(guò)LCD顯示屏，可實(shí)時(shí)顯示所測(cè)激光的功率，能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)激光測(cè)量的要求。

1 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)主要由光電轉(zhuǎn)換模塊、I/V轉(zhuǎn)換模塊、濾波電路等七個(gè)主要功能單元所組成，如圖1所示。光電轉(zhuǎn)換模塊將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并傳送給I/V轉(zhuǎn)換模塊，而電流信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換模塊和濾波電路的電流電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、濾波等處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將16位數(shù)字信號(hào)傳輸給微控制器。微控制器對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，將最終的激光功率值通過(guò)LCD顯示模塊呈現(xiàn)給用戶(hù)，用戶(hù)也可以通過(guò)LCD顯示模塊對(duì)所測(cè)激光波長(zhǎng)進(jìn)行選擇。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為：可測(cè)波長(zhǎng)范圍：400nm～1000nm，功率測(cè)量范圍：1nW-10mW，測(cè)量誤差控制在5%以?xún)?nèi)。

2 系統(tǒng)的硬件組成

2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

為了將激光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，需要利用光電轉(zhuǎn)換模塊完成這一任務(wù)。常用的光電轉(zhuǎn)換模塊有光電倍增管、PIN硅光電二極管、雪崩光電二極管等。PIN硅光電二極管[2][3]是一種利用輕微摻雜N型材料的本征區(qū)，將P型材料區(qū)和N型材料區(qū)進(jìn)行隔離的二極管。在反向電壓作用下，PIN硅光電二極管的反向電流與光照強(qiáng)度相關(guān)。

美國(guó)的VISHZAY、日本的濱松等國(guó)外半導(dǎo)體公司，在PIN硅光電二極管領(lǐng)域具有大量的產(chǎn)品，雖然這些產(chǎn)品性能較高，但價(jià)格也較高，因此，本設(shè)計(jì)采用深圳龍信達(dá)公司生產(chǎn)的LXD-44MQ型PIN硅光電二極管，其成本低、性?xún)r(jià)比較高，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，具體參數(shù)為：反向工作電壓VR的最大值為30V，暗電流Id為5nA（反向工作電壓為1V），結(jié)電容為20pF（反向工作電壓為0V），光譜響應(yīng)范圍為200-1100nm，峰值波長(zhǎng)為720nm。圖2為該器件的光譜響應(yīng)圖，從中可以看到光靈敏度與激光信號(hào)的波長(zhǎng)呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，在波長(zhǎng)為720nm處達(dá)到最大，因此，在利用光靈敏度計(jì)算激光的功率時(shí)，需要根據(jù)所測(cè)激光的波長(zhǎng)，利用不同的光靈敏度，來(lái)計(jì)算出真實(shí)的激光功率。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換電路

由于PIN硅光電二極管接受光照后，只能產(chǎn)生電流信號(hào)，為了能夠進(jìn)一步對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，需要使用I/V轉(zhuǎn)換電路將電流轉(zhuǎn)換成電壓，圖3所示為轉(zhuǎn)換電路[4]，該電路采用運(yùn)算放大器ADA4625-1作為跨阻放大部分的核心器件。由于本設(shè)計(jì)所使用的PIN硅光電二極管產(chǎn)生的電流非常微弱，電流跨度也較大，在0.2nA-3.75mA之間動(dòng)態(tài)變化，因此，I/V轉(zhuǎn)換電路在對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具備將這一跨度較大的電流進(jìn)行分段放大的功能，從而滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換電路對(duì)輸入信號(hào)的要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用兩個(gè)不同的反饋通道滿(mǎn)足這一需求，并通過(guò)開(kāi)關(guān)電路ADG633對(duì)反饋通道進(jìn)行選擇，雖然開(kāi)關(guān)電路存在52Ω的輸出阻抗，由于系統(tǒng)所使用的A/D轉(zhuǎn)換模塊具有較大的輸入阻抗，在實(shí)際應(yīng)用中，可忽略輸出阻抗對(duì)后續(xù)電路的影響。

2.3 濾波電路

由于系統(tǒng)自身以及外部噪聲的影響，需要對(duì)I/V轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理，圖4所示的電路為系統(tǒng)的濾波部分，該電路采用了二階巴特沃斯結(jié)構(gòu)[5] [6]，電路的截止頻率為10KHz，所使用的運(yùn)算放大器為ADI公司的AD8622，它具有低噪聲的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，采用ADI公司的在線(xiàn)模擬濾波器設(shè)計(jì)工具，縮減了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)難度。

路

2.4 微控制器

系統(tǒng)使用ST公司生產(chǎn)的STM8S208MBT微控制器作為核心部分，STM8S208MBT是一款基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器，其內(nèi)部CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)并帶有3級(jí)流水線(xiàn)，最高工作頻率可達(dá)24MHz，具有128K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，6K字節(jié)的RAM ，2048字節(jié)的數(shù)據(jù)EPROM存儲(chǔ)器[7]。STM8S208MBT可以采用不同類(lèi)型的時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，為了降低外部晶振帶來(lái)的噪聲并減小PCB電路板的尺寸，采用其內(nèi)部的16MHz高速RC振蕩器作為主時(shí)鐘。

STM8S208MBT還具備68個(gè)可配置的GPIO接口和豐富的外設(shè)功能[8]，以滿(mǎn)足系統(tǒng)擴(kuò)展的需求。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了能將系統(tǒng)所采集到的模擬信號(hào)傳輸給微控制器，需要將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，雖然微控制器內(nèi)部帶有10位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊，但其精度較低，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此本系統(tǒng)采用ADI公司生產(chǎn)的AD7606-4型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來(lái)完成這一任務(wù)。AD7606-4包括四路同步采樣輸入，5V單模擬電源供電，輸入具有鉗位保護(hù)，片內(nèi)包含具有1M模擬輸入阻抗的輸入緩沖器、二階抗混疊模擬濾波器、16位的200kSPS A/D轉(zhuǎn)換通道[9]，其輸出接口包括多種形式，本設(shè)計(jì)采用其SPI輸出模式，將數(shù)據(jù)傳輸給STM8S208MBT。

2.6 LCD顯示電路

作為系統(tǒng)與用戶(hù)進(jìn)行互動(dòng)的媒介，LCD顯示電路采用LCD1602模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，以顯示系統(tǒng)的操作界面與測(cè)量結(jié)果。LCD1602模塊與微控制器STM8S208MBT之間采用8位總線(xiàn)的方式進(jìn)行通信，其中LCD1602模塊的數(shù)據(jù)總線(xiàn)D7～D0分別與STM8S208MBT的PB7～PB0相連，而使能控制端E、讀/寫(xiě)選擇端R/W和數(shù)據(jù)/命令選擇端RS則分別與STM8S208MBT的引腳PF4、PF3、PF0相連。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，該開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了STM8開(kāi)發(fā)包，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示，由于400nm-1000nm之間的激光源并非所有都為常見(jiàn)，因此，本系統(tǒng)所測(cè)激光為常見(jiàn)的635nm紅光、520nm綠光、450nm藍(lán)光等。在完成微控制器初始化等工作后，系統(tǒng)采用1.24KΩ電阻和22pF電容并聯(lián)所形成的電路作為默認(rèn)的反饋通道，當(dāng)微控制器采集到的電壓數(shù)據(jù)小于12mV時(shí)，自動(dòng)切換到另一通道，以最佳的量程來(lái)獲得數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量之前，還需要設(shè)定被測(cè)量激光源的波長(zhǎng)，實(shí)際上是設(shè)定相應(yīng)的光靈敏度λ。

由于微控制器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換與放大，在計(jì)算激光功率時(shí)，采用式1-1，其中U表示微控制器采集到電壓值，A表示放大倍數(shù)（與所選I/V轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻相對(duì)應(yīng)），P表示激光功率。在完成計(jì)算后，結(jié)果將會(huì)顯示在LCD1602中。

P = U/A*λ （1）

4 系統(tǒng)測(cè)試

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選用常見(jiàn)的635nm紅光、520nm綠光、450nm藍(lán)光作為測(cè)試光源，并與標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，雖然在較高功率測(cè)得的絕對(duì)誤差較高，但本功率計(jì)的所有測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差均滿(mǎn)足小于5%的設(shè)計(jì)要求，因此，本功率計(jì)可在工程中進(jìn)行使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于STM8的激光功率計(jì)，系統(tǒng)以PIN硅光電二極管和STM8S208MBT作為核心器件，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、I/V轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、濾波等操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)635nm紅光、520nm綠光、450nm藍(lán)光等400nm～1000nm范圍內(nèi)的常見(jiàn)激光源的功率檢測(cè)，功率計(jì)的測(cè)量范圍為1nW～10mW。系統(tǒng)具有成本低，測(cè)量精度高等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足工程中對(duì)激光測(cè)量的要求，具有廣闊的使用價(jià)值。

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