基于Wi-Fi通訊的大功率光功率計(jì)的研制*

隋成華,徐之力,徐丹陽

(1.浙江工業(yè)大學(xué)光學(xué)與光電子研究中心,杭州 310023;2.浙江工業(yè)大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)物理信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,杭州 310023;3.浙江工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,杭州 310023)

光功率計(jì)是用來測量光功率大小的儀器,既可用于光功率的直接測量,也可用于光衰減量的相對測量,大功率光功率計(jì)是激光加工、激光熔覆和激光武器等領(lǐng)域中研究、開發(fā)、生產(chǎn)以及維修等部門必備的基本測試儀器[1-3]。隨著光電檢測技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,對便于攜帶,操作簡潔,精度高的光功率計(jì)的需求與日俱增[4-7]。目前市場上的光功率計(jì),大多采用串口、USB2.0以及藍(lán)牙的通信方式。串口及USB通信必須要使用傳輸線,無法實(shí)現(xiàn)移動式測量。藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù),但其只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸,連接不夠穩(wěn)定,傳輸速度較慢。此外,目前市場上的光功率計(jì),大多具有測量功率值低,精度不高,動態(tài)范圍小,檔位切換繁瑣等缺點(diǎn),因此設(shè)計(jì)了一款基于Wi-Fi通信,以STM32為微控制器,采用熱電堆探測器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換,滿足在0.19 μm～15.0 μm波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)100 mW～100 W的激光功率測量,并利用多通道模擬開關(guān)CD4051,N溝道場效應(yīng)管A03042和微功耗、低噪聲、斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器MAX4238實(shí)現(xiàn)測量功率范圍內(nèi)的量程自動切換,同時還具備了通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強(qiáng)度,以及外觸發(fā)功能的光功率計(jì)[8-13]。該光功率計(jì)采用STM32內(nèi)置的12位ADC來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過ESP8266Wi-Fi模塊同其他設(shè)備通信,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,同時支持USB通信。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

光功率計(jì)整體設(shè)計(jì)方案如圖1(a)所示,電路設(shè)計(jì)原理如圖1(b)所示。熱電堆探測器將檢測到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?電壓信號經(jīng)過放大和濾波處理后由STM32的內(nèi)置的12位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。利用STM32判斷轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的大小并控制放大電路切換到合適的量程以獲得可供計(jì)算顯示的數(shù)字量,通過ESP8266Wi-Fi模塊支持Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信并通過APP顯示測得的功率值,還可通過USB連接LCD屏幕進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。同時通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強(qiáng)度,利用外觸發(fā)功能可以實(shí)現(xiàn)功率的單步測量等功能。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

2 光功率計(jì)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 熱電堆探測器

熱電堆傳感器的工作原理如圖2所示。當(dāng)激光束擊中熱電堆傳感器的表面,入射輻射被所覆層吸收并轉(zhuǎn)化為熱。然后,該熱量流經(jīng)從頂面至底部的傳感器,從而導(dǎo)致整個傳感器的溫度差。由于熱電效應(yīng),溫差引起的電壓施加到傳感器元件內(nèi)積聚。該輸出電壓是正比于入射輻射的功率。熱電探測器的表面通常鍍有吸收涂層,吸收涂層決定了檢測到的輻射的光譜范圍。當(dāng)使用具有平坦光譜的寬帶吸收器時,熱電堆傳感對所有波長的輻射敏感。

圖2 熱電堆傳感器的工作原理圖

入射到檢測器表面的激光功率與檢測器的電壓輸出成比例。其單位mW,并且使用式(1)計(jì)算:

φ=U/Z

(1)

式中:U代表探測器的輸出電壓,單位是V;Z是檢測器的輻射靈敏度,單位是mV/W。激光功率檢測器的靈敏度取決于使用它們的溫度水平。使用式(2)計(jì)算檢測器的溫度校正靈敏度:

Z=Z0+(T-T0)ZC

(2)

式中:Z0是校準(zhǔn)溫度和校準(zhǔn)波長下的輻射靈敏度,單位為mV/W;ZC是輻射靈敏度的線性校正因子,單位為(mV/W)/℃;T0為校準(zhǔn)溫度(通常為20 ℃),單位為℃。T是散熱器溫度水平,可以用溫度傳感器測量,單位為℃。

熱電堆功率探測器可以檢測0.19 μm～15.0 μm波長范圍,滿足100 mW～100 W激光功率測量,并且內(nèi)部集成EEPROM存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中選擇國外某公司的熱電探測器,其主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 熱電探測器主要性能參數(shù)

2.2 信號采樣及AD轉(zhuǎn)換電路

光功率計(jì)的輸入信號動態(tài)范圍通常比較大,為了提高測量精度,智能儀器根據(jù)測量范圍設(shè)置多個量程,并能在各個量程上自動切換。量程自動轉(zhuǎn)換的過程,就是微處理器根據(jù)輸入信號的大小,自動選擇程控放大器的放大系數(shù)或程控衰減系數(shù),使經(jīng)過處理后的輸出電壓能滿足ADC對輸入的要求。熱電堆探測器輸出的信號非常微小,因此選用程控放大器來控制信號放大倍數(shù),從而實(shí)現(xiàn)量程的自動選擇[14-15]。程控放大器一般由模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器及控制電路組成。根據(jù)可以測量的光功率范圍將量程劃分為6段,因此選用美國無線電公司生產(chǎn)的CD4051,它是一種具有低截止漏電流和低導(dǎo)通阻抗的單端雙向8選1模擬開關(guān)。對于高檔量程,由于反饋電阻較小必須要考慮模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響。為了提升高量程的選擇靈敏度,設(shè)計(jì)中采用導(dǎo)通電阻足夠大的N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管A03402代替導(dǎo)通電阻較小的通道。運(yùn)放MAX4238的反向輸入和輸出端通過反饋電阻連接。STM32通過控制PB0,PB1,PB2的狀態(tài)選通I2,I3,I4,I5的導(dǎo)通或閉合,同時判斷輸入的信號大小控制A3和A4的通斷,實(shí)現(xiàn)量程自動切換,且每個通道呈10倍遞增關(guān)系[16-17]。程控放大原理圖如圖3所示。

圖3 程控放大原理圖

圖4 ESP8266狀態(tài)機(jī)圖

探測器檢測到的信號經(jīng)過程控放大電路后送入STM32進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有18個通道,可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中。

2.3 Wi-Fi通訊模塊設(shè)計(jì)

ESP8266Wi-Fi模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域,便于具有Wi-Fi功能的PC機(jī)相連,也可以實(shí)現(xiàn)兩個模塊之間的數(shù)據(jù)互通。此模塊遵循TCP/IP協(xié)議,完全遵循802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC協(xié)議和Wi-Fi Direct標(biāo)準(zhǔn),支持UART接口,自身內(nèi)置了存儲控制器,包含ROM和SRAM,支持使用SPI接口的外置Flash最大支持16 Mbyte的SPI Flash。具有高度集成、低功耗、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[18-19]?？梢詰?yīng)用在家庭自動化、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線位置感知設(shè)備和可穿戴電子產(chǎn)品等方面。

ESP8266狀態(tài)機(jī)圖如圖4所示。上電后Wi-Fi模塊會進(jìn)入待機(jī)模式或者回連模式。當(dāng)Wi-Fi模塊進(jìn)入待機(jī)模式時,進(jìn)行開機(jī)和正常待機(jī)超時設(shè)置,接下來判斷是否連接成功。如果連接成功則進(jìn)入連接模式;如果連接失敗判斷待機(jī)時間是否超時,若未超時則重新進(jìn)行開機(jī)和正常待機(jī)超時設(shè)置,若超時則進(jìn)入空閑模式。當(dāng)Wi-Fi模塊進(jìn)入回連模式時進(jìn)行回連超時設(shè)置,當(dāng)設(shè)置成功判斷設(shè)備是否連接成功。如連接成功則進(jìn)入連接模式;若連接失敗判斷回連是否超時,如果回連超時則進(jìn)入待機(jī)模式;如果回連未超時則重新進(jìn)行回連超時設(shè)置。當(dāng)Wi-Fi模塊處于連接模式即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。如果因?yàn)檫B接丟失導(dǎo)致Wi-Fi斷開,則進(jìn)行連接丟失設(shè)置,可以設(shè)置為待機(jī)模式或回連模式;如果由于遠(yuǎn)程設(shè)備掉落而導(dǎo)致Wi-Fi斷開,那么Wi-Fi模塊進(jìn)入待機(jī)模式;如果由于主機(jī)MCU丟棄導(dǎo)致Wi-Fi斷開,則Wi-Fi模塊進(jìn)入空閑模式。

Wi-Fi模塊串口電路如圖5所示。短按開關(guān)喚醒,當(dāng)5號引腳為低電平時串口配置使能有效。當(dāng)Wi-Fi模塊處于串口工作模式時,1號引腳為串口數(shù)據(jù)輸出引腳,2號引腳為串口數(shù)據(jù)輸入引腳。通過配置13號引腳的電平信號,可以設(shè)置Wi-Fi斷開連接進(jìn)入空閑模式,配置14號引腳的電平,可以設(shè)置Wi-Fi斷開進(jìn)入配對模式。

圖5 Wi-Fi模塊串口電路圖

圖7 Wi-Fi模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的光功率計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)包括探頭部分和Wi-Fi模塊兩部分,這兩部分通過航空插頭GX12-5連接在一起并用螺絲固定。光功率計(jì)探頭部分機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示,探頭部分設(shè)計(jì)有熱電探測器和散熱裝置。因?yàn)椴捎玫氖菬犭姸烟綔y器,為防止因?yàn)闇囟冗^高而導(dǎo)致探測器損壞的情況發(fā)生,因而在探測器底部設(shè)計(jì)有散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行散熱。Wi-Fi模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7所示,因?yàn)榻饘贇π盘栍衅帘巫饔?所以金屬殼體之外引出一根天線提升信號強(qiáng)度。除支持Wi-Fi傳輸外,模塊還配有USB接口支持和表頭的數(shù)據(jù)連接。光功率計(jì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖6 探頭部分機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖8 光功率計(jì)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 STM32控制流程

光功率計(jì)上電后首先進(jìn)行MCU和Wi-Fi初始化操作。STM32初始化包括初始化系統(tǒng)時鐘、外部中斷、端口等操作。選擇設(shè)置的波長和默認(rèn)檔位后,STM32開始對探測器輸出的電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,選擇合適的量程計(jì)算出測得的光功率值。經(jīng)過Wi-Fi初始化操作后,Wi-Fi處于工作狀態(tài)等待從STM32傳輸過來的數(shù)據(jù)并送入到遠(yuǎn)程設(shè)備顯示,目前Wi-Fi支持同Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信。此外,設(shè)計(jì)的光功率計(jì)還支持USB數(shù)據(jù)傳輸方式。MCU主程序流程圖如圖9所示。

圖9 MCU主程序流程圖

圖10 量程自動切換流程圖

3.2 量程自動切換控制流程

熱電堆探測器的測量范圍為100 mW～100 W,設(shè)計(jì)中將量程劃分為6段。量程自動切換流程圖如圖10所示。根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值和默認(rèn)的量程進(jìn)行判斷,若轉(zhuǎn)換后的數(shù)值小于設(shè)置的參數(shù),接下來判斷當(dāng)前檔位是否為最低檔位。如果當(dāng)前檔位不是最低檔位則進(jìn)行減檔位操作,如果當(dāng)前檔位是最低檔位,表明此時測得的信號不在探測器的探測范圍。若轉(zhuǎn)換后的數(shù)值大于設(shè)置的參數(shù),接下來判斷當(dāng)前檔位是否為最高檔位。如果當(dāng)前檔位不是最高檔位則進(jìn)行加檔位操作,如果當(dāng)前檔位是最高檔位,表明此時測得的信號已經(jīng)超過探測器的探測范圍,此時很有可能會使得探頭損壞。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光功率計(jì)是否可以準(zhǔn)確測量激光功率,需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如下:使用額定功率為10 W的激光器分別在1 064 nm及10 640 nm波長下分別用30%、50%和70%強(qiáng)度的光同時入射標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和設(shè)計(jì)樣機(jī),分別記錄測量數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較,測得的數(shù)據(jù)見表2和表3。從測得的數(shù)據(jù)看,設(shè)計(jì)的光功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的誤差控制在2%以內(nèi),可以準(zhǔn)確地測量激光功率。

表2 1 064 nm激光測試數(shù)據(jù)

表3 10 640 nm激光測試數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

介紹了一種基于Wi-Fi通訊的大功率光功率計(jì)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。該光功率計(jì)以STM32為微控制器,使用熱電堆探測器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)測量功率范圍內(nèi)的量程自動切換。同時,采用STM32內(nèi)置的12位ADC來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,支持ESP8266Wi-Fi和USB傳輸模式同Windows系統(tǒng)和IOS系統(tǒng)通信。實(shí)際測試得到的數(shù)據(jù)表明,設(shè)計(jì)的光功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的誤差小于2%,可以準(zhǔn)確地測量激光功率。并且通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)與0～5 V模擬信號電壓輸出方式去反饋控制激光器輸出強(qiáng)度,利用外觸發(fā)功能可以實(shí)現(xiàn)功率的同步測量等功能。該光功率計(jì)不但可以很好地滿足工程應(yīng)用中大功率激光器輸出功率的檢測與控制,并且實(shí)現(xiàn)了基于Wi-Fi無線通信方式的移動式測量。