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0 引言 數字光功率計是一種由單片機控制的、可測量光信號強弱的便攜式儀器，是光纖通信干線(xiàn)鋪設、設備維護、科研和生產(chǎn)使用的重要儀器。然而，傳統的光功率計存在測量精度低，測量范圍窄，便攜性差等問(wèn)題。針對這種情況，開(kāi)發(fā)了一種由AVR單片機控制的通用便攜光功率計，具有量程可自動(dòng)轉換，測量精度高，通用性強，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 系統原理 光功率就是光在單位時(shí)間內所做的功。該數字光功率計由微處理器、光電探測器、I/V變換器、量程自動(dòng)轉換、A/D轉換、液晶顯示等部分組成，其系統原理如圖1所示。 微處理器采用AVR系列ATmega16單片機，它是基于增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。在外設方面，它具有一個(gè)可編程的UART和獨立于片內振蕩器的看門(mén)狗定時(shí)器等資源，支持SPI接口，允許ATmega16與其他外設或AVR單片機進(jìn)行高速的同步數據傳輸。 系統采用硅光電池作為光電探測器，它被設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于實(shí)驗室和野外便攜式儀器等的探測器。在該系統中，硅光電池工作于零偏狀態(tài)。 自動(dòng)量程轉換部分通過(guò)運算放大器和多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)完成。反饋信號通過(guò)CD4051選擇不同的量程，進(jìn)行自動(dòng)量程轉換，以輸出合適的電壓信號。 數據采集部分通過(guò)16位精度的A/D轉換器AD7705完成將模擬電壓信號轉換成數字信號。數據經(jīng)AVR單片機ATmega16處理后轉換成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來(lái)。 本文設計的數字光功率計采用ATmega16來(lái)控制系統的整體工作。以硅光電池作為光電傳感器，使用LM324將信號放大，通過(guò)16位精度的A /D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機控制CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程并進(jìn)行A/D轉換。最后用1602液晶顯示光功率的大小。 2 自動(dòng)量程轉換 實(shí)現高精度的測量。一般通過(guò)控制輸入信號的衰減/放大倍數來(lái)實(shí)現。就光功率計而言，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的切換。在該系統中，量程自動(dòng)轉換主要由多通道開(kāi)關(guān)CD4051和集成運放LM324組成。兩者連接圖如圖2所示。 CD4051是單8通道數字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個(gè)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。 前端采集的數據通過(guò)16位精度的A/D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機的PB4和PB3管腳控制CD4051選擇4個(gè)不同的通道，對應不同方法的倍數，以重新選擇合適的量程，輸出合適的電壓信號進(jìn)行A/D轉換。 3 數據采集 數據采集采用16 b A/D轉換器件AD7705完成(見(jiàn)圖3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/數轉換器，適用于測量低頻模擬信號。它的特點(diǎn)是功耗低，精度高，動(dòng)態(tài)范圍廣，可自校準，非常適用于工業(yè)控制、科研應用。由于使用SPI接口，占用的引腳少，因此控制起來(lái)也很方便。AD7705采集到的電壓信號通過(guò)SPI接口和ATmega16進(jìn)行通訊以傳輸數據。ATmega16作為主機對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。模擬電壓轉換成數字信號，經(jīng)ATm-ega16處理后換算成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來(lái)。 4 軟件結構 ATmega16對整個(gè)系統進(jìn)行控制。通過(guò)PB4，PB3狀態(tài)控制CD4051的通道選擇;通過(guò)SPI口操作AD7705并獲得數據;通過(guò)寫(xiě)命令和寫(xiě)數據控制1602液晶的顯示。整個(gè)系統的軟件流程如圖4所示。 該系統的量程設置有4檔，相鄰的最大電壓值是2倍關(guān)系。首先設置最大量程檔，也就是先選擇第一大檔進(jìn)行數據采樣，如果當采樣值小于128時(shí)，就選擇第四檔進(jìn)一步進(jìn)行放大、轉換;當采樣值大于128而小于256，就選擇第三檔進(jìn)行放大、轉換;當采樣值大于256而小于512時(shí)，就選擇第二檔進(jìn)行放大、轉換;當采樣值大于512而小于與1 024時(shí)，就選擇第一檔進(jìn)行放大，轉換。 5 數據分析 通過(guò)實(shí)驗室標準光功率計對該光功率計進(jìn)行了校準，為了減小誤差，修正系統的線(xiàn)性度，在數據處理上采用了分段函數法。主要分為3段，在不同的階段采用不同的修正系數。表1是系統數據對照表。表中的標指標準光功率計，測指測試光功率計，單位為mW。由數據可看出，誤差較小，可滿(mǎn)足實(shí)驗室的一般實(shí)驗需求。 6 結語(yǔ) 提出了一種基于A(yíng)Tmega16的數字光功率計系統實(shí)現方案，采用的模/數轉換元件是AD公司的AD7705模數轉換器。文中詳細介紹了自動(dòng)量程轉換和數據采集系統的功能及具體實(shí)現。該光功率計已經(jīng)用于本專(zhuān)業(yè)的光電實(shí)驗教學(xué)，作為輔助測量?jì)x器，效果良好。 |
