基于ATmega128的光功率測試系統(tǒng)的設(shè)計＊

1 引言

伴隨著國內(nèi)外國民經(jīng)濟超高速發(fā)展，其光電子技術(shù)的也進行更新?lián)Q代的發(fā)展，光功率測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于光纖信息通信、光電子傳感、光功率測試儀器儀表測試及生產(chǎn)等領(lǐng)域。本設(shè)計旨在應(yīng)用高性能的嵌入式ATmegal28微處理器控制AD7715模／數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，通訊接口選用INTEL公司發(fā)起的新一代、超快傳輸速率、高兼容的USB3.0接口。同時該光功率測試系統(tǒng)還帶有LCD128×64液晶顯示屏進行顯示，具有高精確性的特點，非常適應(yīng)于光信號檢測和光通信技術(shù)領(lǐng)域的使用和推廣。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

光功率測試系統(tǒng)由ATmegal28微處理器、光電信號探測器、I/V變換器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、自動量程切換、LCD128×64液晶顯示、USB3.0接口等部分組成。

2.1 ATmega128微處理器

ATmega128是采用AVR RISC結(jié)構(gòu)設(shè)計的8位低功耗的CMOS微處理器芯片，是AVR系列處理器中功能最強大的處理器。工作時鐘頻率16 MHz，工作電壓VCC是5 V。其具有53個可編程I／0、64引腳TQFP與64引腳MLF封裝等功能。ATmega128處理器通過控制模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715進行數(shù)據(jù)處理，通過LCD液晶顯示及USB接口通信。ATmega128微處理電路原理圖如圖1所示。

圖1 ATmega128微處理器電路原理圖

2.2 光電信號探測器

光功率測試系統(tǒng)中探測器是直接將光的信號轉(zhuǎn)換成電的信號的關(guān)鍵部件。光電信號探測器里面主要器件是光電傳感器，它主要作用是用來轉(zhuǎn)換被測的光源信號為電流的信號。探測器應(yīng)用三線正級、負(fù)級、地級3個端口進行控制。隨著被測得光源信號強度變化，探測器中的傳感器進行探測輸出的電流也會緊跟著變化。ATmega128微處理器通過對變化的電流量變化及轉(zhuǎn)換分析得出相對的被測光源信號的變化數(shù)值。

2.3 I／V變換器

光電信號探測器輸出比較小電流信號與電路設(shè)計的電壓放大器不相匹配，需把電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。電路設(shè)計一個輸入電流I，由公式V=AI的計算方式輸出電壓，A是設(shè)計電路的增益，通過V/A進行計算。如圖2所示，信號電流相加算出-IS+(V-0)/R=0，即： V=RIS,其中R是設(shè)計電路的增益。

圖2 I／V變換電壓

2.4 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7715

A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7715是美國AD公司16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7715芯片具有以下優(yōu)點：① 微功耗。電壓在3V和1 MHz主頻情況時AD7715芯片消耗總的電流不會超過450μA，待機的電流低于10μA，是低功耗系統(tǒng)中理想芯片。

② 可進行編程增益輸入允許AD7715芯片將傳感器或應(yīng)變片的信號直接的接到輸入端而省略掉數(shù)量可觀的信號處理的電路。

③ 使用三線串行接口減去部分連接線數(shù)量時，并可減去需要隔離系統(tǒng)作用的光偶數(shù)量，是基于DSP處理器或者微控制器應(yīng)用的完美選擇。其擁有的片上寄存器，經(jīng)過它可軟件進行控制輸出刷新頻率，使輸入增益，頂部模式或信號極性。

④ AD7715芯片具有極佳靜態(tài)的性能。例如16位無誤碼輸出，0.0 015%非線性度。

光功率測試系統(tǒng)通過探測器將通過光纖輸入的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，再由電流信號通過I／V變換器轉(zhuǎn)換為電壓信號，最后通過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7715轉(zhuǎn)變后輸入ATmega128微處理器進行處理。AD7715內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 AD7715內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.5 自動量程切換

光功率測試系統(tǒng)中，自動量程切換通過多通道開關(guān)芯片CD4051和集成運放芯片LM324組成。其電路圖如圖4所示。芯片CD4051是一種單8通道數(shù)的數(shù)字控制模擬電子芯片開關(guān)。由3個二進制控制輸入端A、B、C和INH輸入端。3個二進制信號選著通8通道中的任一通道，并可直接連接它的輸入端到輸出端。

圖4 自動量程切換電路圖

2.6 LCD液晶顯示

ATmega128微處理器通道處理光信號轉(zhuǎn)變相應(yīng)的數(shù)值，最后由LCD128×64液晶顯示屏進行顯示。LCD128×64是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個（16×16點陣）漢字。LCD128×64控制命令代碼如下。

2.7 USB接口

系統(tǒng)應(yīng)用了INTEL公司發(fā)起的USB3.0接口，是新一代的USB接口，特點是傳輸速率非?？?，理論上能達到5 Gbit/s，比USB2.0快10倍，能兼容USB2.0和USB1.1設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

ATmega128微處理器通電后首先進行了初始化，其包含系統(tǒng)部分初始化和顯示部分初始。系統(tǒng)部分初始化中含有中斷初始化、時鐘初始化、USB3.0口初始化等操作。顯示部分初始化含有顯示方式及設(shè)置項等。選擇默認(rèn)切換最大檔位后轉(zhuǎn)換，通過A/D轉(zhuǎn)換，最后由顯示屏進行功率值顯示。其初始化命令代碼如下，流程圖如圖5所示。

圖5 ATmega 128主控流程

4 數(shù)據(jù)測量對比

將光功率測試系統(tǒng)與日本橫河（YOKOGAWA）公司光功率測試系統(tǒng)(型號WT130)進行實際數(shù)據(jù)測試并對比，波長是1310 nm，數(shù)據(jù)測量結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)測量對比

通過以上數(shù)據(jù)測量對比，得出該光功率測試系統(tǒng)具有高精確性。

5 結(jié)束語

該設(shè)計中選用ATmega128微處理器為CPU，結(jié)合AD7715模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、高兼容性USB3.0接口設(shè)計一套實用與精度高的光功率測試系統(tǒng)，并在實際應(yīng)用中取得良好效果。