0 引言
數(shù)字光功率計(jì)是一種由單片機(jī)控制的、可測量光信號強(qiáng)弱的便攜式儀器,是光纖通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護(hù)、科研和生產(chǎn)使用的重要儀器。然而,傳統(tǒng)的光功率計(jì)存在測量精度低,測量范圍窄,便攜性差等問題。針對這種情況,開發(fā)了一種由AVR單片機(jī)控制的通用便攜光功率計(jì),具有量程可自動轉(zhuǎn)換,測量精度高,通用性強(qiáng),攜帶方便的特點(diǎn),非常適合在光信息、光通信領(lǐng)域使用。
1 系統(tǒng)原理
光功率就是光在單位時間內(nèi)所做的功。該數(shù)字光功率計(jì)由微處理器、光電探測器、I/V變換器、量程自動轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示等部分組成,其系統(tǒng)原理如圖1所示。
微處理器采用AVR系列ATmega16單片機(jī),它是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。在外設(shè)方面,它具有一個可編程的UART和獨(dú)立于片內(nèi)振蕩器的看門狗定時器等資源,支持SPI接口,允許ATmega16與其他外設(shè)或AVR單片機(jī)進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。
系統(tǒng)采用硅光電池作為光電探測器,它被設(shè)計(jì)用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能,因此,可用作光電探測器和光電池,被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室和野外便攜式儀器等的探測器。在該系統(tǒng)中,硅光電池工作于零偏狀態(tài)。
自動量程轉(zhuǎn)換部分通過運(yùn)算放大器和多路選擇開關(guān)CD4051來完成。反饋信號通過CD4051選擇不同的量程,進(jìn)行自動量程轉(zhuǎn)換,以輸出合適的電壓信號。
數(shù)據(jù)采集部分通過16位精度的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705完成將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)經(jīng)AVR單片機(jī)ATmega16處理后轉(zhuǎn)換成光功率數(shù)據(jù),在1602液晶屏幕上顯示出來。
本文設(shè)計(jì)的數(shù)字光功率計(jì)采用ATmega16來控制系統(tǒng)的整體工作。以硅光電池作為光電傳感器,使用LM324將信號放大,通過16位精度的A /D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。粗測數(shù)據(jù)的信號反饋,可使單片機(jī)控制CD4051選擇不同的量程,以重新選擇量程并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。最后用1602液晶顯示光功率的大小。
2 自動量程轉(zhuǎn)換
實(shí)現(xiàn)高精度的測量。一般通過控制輸入信號的衰減/放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。就光功率計(jì)而言,一般輸入信號都比較小,所以其量程切換基本上都是放大倍數(shù)的切換。在該系統(tǒng)中,量程自動轉(zhuǎn)換主要由多通道開關(guān)CD4051和集成運(yùn)放LM324組成。兩者連接圖如圖2所示。
CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān),有3個二進(jìn)制控制輸入端A,B,C和INH輸入端,3個二進(jìn)制信號選通8通道中的一通道,可連接該輸入端至輸出。
前端采集的數(shù)據(jù)通過16位精度的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。粗測數(shù)據(jù)的信號反饋,可使單片機(jī)的PB4和PB3管腳控制CD4051選擇4個不同的通道,對應(yīng)不同方法的倍數(shù),以重新選擇合適的量程,輸出合適的電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
3 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集采用16 b A/D轉(zhuǎn)換器件AD7705完成(見圖3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,適用于測量低頻模擬信號。它的特點(diǎn)是功耗低,精度高,動態(tài)范圍廣,可自校準(zhǔn),非常適用于工業(yè)控制、科研應(yīng)用。由于使用SPI接口,占用的引腳少,因此控制起來也很方便。AD7705采集到的電壓信號通過SPI接口和ATmega16進(jìn)行通訊以傳輸數(shù)據(jù)。ATmega16作為主機(jī)對AD7705進(jìn)行控制,使用的I/O口資源分別為MOSI,MOSI,SCK,SS和AD7705通信。模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)ATm-ega16處理后換算成光功率數(shù)據(jù),在1602液晶屏幕上顯示出來。
4 軟件結(jié)構(gòu)
ATmega16對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過PB4,PB3狀態(tài)控制CD4051的通道選擇;通過SPI口操作AD7705并獲得數(shù)據(jù);通過寫命令和寫數(shù)據(jù)控制1602液晶的顯示。整個系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。
該系統(tǒng)的量程設(shè)置有4檔,相鄰的最大電壓值是2倍關(guān)系。首先設(shè)置最大量程檔,也就是先選擇第一大檔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣,如果當(dāng)采樣值小于128時,就選擇第四檔進(jìn)一步進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換;當(dāng)采樣值大于128而小于256,就選擇第三檔進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換;當(dāng)采樣值大于256而小于512時,就選擇第二檔進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換;當(dāng)采樣值大于512而小于與1 024時,就選擇第一檔進(jìn)行放大,轉(zhuǎn)換。
5 數(shù)據(jù)分析
通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)對該光功率計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn),為了減小誤差,修正系統(tǒng)的線性度,在數(shù)據(jù)處理上采用了分段函數(shù)法。主要分為3段,在不同的階段采用不同的修正系數(shù)。表1是系統(tǒng)數(shù)據(jù)對照表。表中的標(biāo)指標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì),測指測試光功率計(jì),單位為mW。由數(shù)據(jù)可看出,誤差較小,可滿足實(shí)驗(yàn)室的一般實(shí)驗(yàn)需求。
6 結(jié)語
提出了一種基于ATmega16的數(shù)字光功率計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,采用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換元件是AD公司的AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器。文中詳細(xì)介紹了自動量程轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能及具體實(shí)現(xiàn)。該光功率計(jì)已經(jīng)用于本專業(yè)的光電實(shí)驗(yàn)教學(xué),作為輔助測量儀器,效果良好。