王旭峰，呂國(guó)慶，候光恩，潘無瑕，李浩泉

(浙江中欣動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司，寧波 315010)

?

基于KL46主控制器的光萬用表設(shè)計(jì)

王旭峰，呂國(guó)慶，候光恩，潘無瑕，李浩泉

(浙江中欣動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司，寧波 315010)

針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的光萬用表存在測(cè)量不夠精確或者功耗過高的問題，設(shè)計(jì)了一款手持式光萬用表，給出了主要模塊的硬件原理圖、系統(tǒng)軟件流程圖及光功率計(jì)校準(zhǔn)方法，該儀表以超低功耗微處理器KL46為控制核心，集成光功率計(jì)、紅光光源和1310 nm單波長(zhǎng)激光光源功能，各個(gè)功能可以單獨(dú)使用，也可以配合使用，為廣大工程測(cè)試人員以及技術(shù)人員提供了更為方便和更低成本的選擇。測(cè)試結(jié)果表明，其光功率計(jì)不確定度小、功耗極低、性能穩(wěn)定，其紅外光源和1310 nm單波長(zhǎng)激光光源穩(wěn)定可靠，具有很高的使用價(jià)值。

KL46；光萬用表；光功率計(jì)；光源

引 言

數(shù)字化智能化測(cè)控儀表是近年來工業(yè)過程應(yīng)用儀表方面的主要發(fā)展趨勢(shì)。微電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)過程對(duì)測(cè)控方面要求的加強(qiáng)，使智能化測(cè)控儀表的應(yīng)用更廣、成本更低。單片機(jī)具有成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)[1]。由各具體行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士使用單片機(jī)來開發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路，手持式光功率計(jì)和光源是電信工程與維護(hù)、光通信研究與教學(xué)中十分常用的設(shè)備，并經(jīng)常組合使用。將光功率計(jì)和穩(wěn)定光源組合在一起稱為“光萬用表”，它常用來測(cè)量光纖鏈路的光功率損耗[2]。

Kinetis L系列MCU基于高能效的ARM Cortex-M0+處理器，通過精細(xì)的設(shè)計(jì)、完整系列的解決方案將ARM Cortex-M0+處理器的低功耗特性提高到新水平，提供了卓越的靈活性與擴(kuò)展性[3]。因此，采用KL46Z256VLH4(以下簡(jiǎn)稱KL46)作為主控器，利用其自帶的16位ADC，再加上外圍電路，實(shí)現(xiàn)了光功率計(jì)、紅光光源和單波長(zhǎng)激光光源功能。

1 工作原理

光萬用表系統(tǒng)是由光功率計(jì)、紅光光源和單波長(zhǎng)激光光源3個(gè)部分組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 光萬用表工作原理圖

光功率計(jì)部分將待測(cè)光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)過I/V變換和信號(hào)調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，之后用KL46的ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，運(yùn)算處理后得到光功率值，顯示到LCD。

紅光光源和單波長(zhǎng)激光光源由KL46直接控制發(fā)出紅光和1310 nm激光。

2 硬件設(shè)計(jì)

光電探測(cè)器是光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，常用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，但是噪聲性能較差、偏置電壓較高、溫度穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格高。而PIN光電二極管具有高響應(yīng)度、低暗電流、寬動(dòng)態(tài)范圍、高線性度、重復(fù)性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足光功率設(shè)計(jì)的要求[4]。因此設(shè)計(jì)中采用重慶浩鐸光電科技有限公司InGaAs PIN,該器件能響應(yīng)850～1650 nm波長(zhǎng)，暗電流為0.5 nA，響應(yīng)度是0.85 A/W，動(dòng)態(tài)范圍為-60～+10 dBm。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換及量程切換電路

光纖中光信號(hào)通常很弱，從nW級(jí)到mW級(jí)，這就要求儀表必須有多個(gè)量程并且能夠根據(jù)光信號(hào)大小范圍自動(dòng)切換量程。由于輸入信號(hào)比較小，其量程切換實(shí)際上是放大倍數(shù)的切換。MCU根據(jù)輸入信號(hào)的大小，通過控制模擬開關(guān)來改變反饋電阻阻值實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的放大切換，使經(jīng)過調(diào)理后的輸出電壓能夠滿足ADC對(duì)輸入的要求。I/V轉(zhuǎn)換及量程切換電路主要由一個(gè)8路模擬開關(guān)MAX4638和一個(gè)低功耗低噪聲單電源雙路運(yùn)放OPA2344組成，如圖2所示。

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)A0、A1和A2引腳可選擇8個(gè)不同的通道，對(duì)應(yīng)不同的放大倍數(shù)，經(jīng)過放大后的ADC兩端輸入電壓：V=I-optical×R。

2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

飛思卡爾KL46Z256VLH4是基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核32位MCU，擁有256 KB的閃存、32 KB RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模擬比較器。該芯片資源豐富，集成了LCD驅(qū)動(dòng)功能和16位ADC，減少了外圍電路配置，降低了成本，整體功耗較低。儀表的顯示采用段碼式LCD屏顯示。由于ADC的差分模擬輸入方式具有高寬帶、低功耗、低失真的優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中AD0采用差分轉(zhuǎn)換方式來檢測(cè)放大后的電壓信號(hào)。另外，AD10用普通的單端模擬輸入方式，間隔一段時(shí)間采集電池電壓信號(hào)。采用3×3矩陣式鍵盤，占用6個(gè)I/O，主要完成以下功能：波長(zhǎng)切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示方案切換、開關(guān)機(jī)、單位切換、開關(guān)光源。

2.4 光源

2.4.1 紅光光源

紅光激光筆是檢測(cè)光纖故障的常用輔助工具，將紅光打入光纖中，故障位置和高損耗位置紅光會(huì)漏射而產(chǎn)生的可見亮斑可實(shí)現(xiàn)光纖故障可視化定位。因此儀表系統(tǒng)集成了紅光光源功能，能夠發(fā)射0 Hz、1 Hz和2 Hz頻率光。紅光激光器，采用重慶浩鐸光電科技有限公司的650 nm激光器組件，其工作電流是30 mA，為了取得穩(wěn)定的工作電流，驅(qū)動(dòng)電路采用恒定電流的電路驅(qū)動(dòng)控制方式，如圖3所示。

淘汰機(jī)制方面：與選拔方式并無太大不同，仍根據(jù)筆試成績(jī)排名作為決定學(xué)生是否留在實(shí)驗(yàn)班的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)班的目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的優(yōu)秀人才，僅根據(jù)考試分?jǐn)?shù)的高低進(jìn)行評(píng)判，顯得有失偏頗。

圖3 紅光激光器驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)外圍的Vset設(shè)置完畢后，由于精密運(yùn)放U1的3引腳和4引腳虛短可推知，運(yùn)放的3引腳與4引腳是等電位的。而根據(jù)運(yùn)放虛斷的概念可以得出R1兩端電壓相等，所以TP1電壓恒定等于Vset的值。串聯(lián)支路中流過R11的電流即為流過LD的電流，電流大小為I=Vset/R11。當(dāng)Vset為恒定值時(shí)，流過LD的電流恒定，達(dá)到恒定電流驅(qū)動(dòng)激光器的目的。

電路中的Q8為增強(qiáng)型N溝道MOSFET管，主要是用來控制激光脈沖的開啟與關(guān)閉。由TP3輸入的外界控制頻率，通過Q8控制Q1的基極偏壓，從而控制Q1的開和關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)紅光驅(qū)動(dòng)電路按指定頻率發(fā)送脈沖紅光。

圖4 紅光激光器驅(qū)動(dòng)電路

2.4.2 單波長(zhǎng)激光光源

單波長(zhǎng)激光光源分為0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz頻率光。單波長(zhǎng)激光器采用武漢昱升光器件公司生產(chǎn)的YSLD3118型1310 nm激光器。為了發(fā)射穩(wěn)定功率的激光信號(hào)，且由于該器件內(nèi)部集成光功率探測(cè)器(PD)，激光器的控制可以采用自動(dòng)功率控制的電路驅(qū)動(dòng)方式。紅光激光器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電路由外圍電壓Vset設(shè)置激光器初始的工作狀態(tài)，當(dāng)LD發(fā)光后，PD探測(cè)到部分光電流，然后通過對(duì)地電阻R9轉(zhuǎn)換為TP2的電壓，同時(shí)TP2電壓反饋到運(yùn)放的同相端(Vset電壓從運(yùn)放的反相端)輸入，形成了與輸入電壓的反向補(bǔ)償輸入機(jī)制。

當(dāng)LD功率變大時(shí)，PD探測(cè)到的電流變大，TP2的電壓變高，那么OPA2340的1引腳輸出電壓變高，Q4導(dǎo)通程度變小，LD的電流變小，從而使得LD功率又回歸變小。這種自適應(yīng)的電路方式，通過實(shí)時(shí)改變LD電流大小，最終使LD功率穩(wěn)定在某一恒定范圍內(nèi)。

驅(qū)動(dòng)電路增加了脈沖控制激光器輸出功能，脈沖從R5端輸入，控制Q2開關(guān)來分時(shí)導(dǎo)通，使得Vset由脈沖高低電平來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)LD隨輸入控制信號(hào)頻率來發(fā)送激光。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊式設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換、按鍵掃描等模塊組成。儀表上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化模塊，然后開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)選擇分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成對(duì)應(yīng)的功能。程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 量程控制

光功率計(jì)量程分為8個(gè)檔位，放大電阻從100 Ω～100 MΩ，ADC采樣數(shù)值范圍為0～32 768，量程切換規(guī)則如下：

① 若ADC采樣值小于3 000，則量程升一檔選用高一級(jí)的放大電阻。

② 若ADC采樣值大于30 000，則量程降一檔選用低一級(jí)的放大電阻。

③ 若已經(jīng)為最大量程，ADC采樣值還是非常小，則啟用ADC的內(nèi)部PGA功能進(jìn)行放大，最小放大倍數(shù)是2，最大放大倍數(shù)是64。選用的放大倍數(shù)能夠讓ADC采樣值經(jīng)放大后超過3 000即可，無法達(dá)到3 000則按最大放大倍數(shù)進(jìn)行放大。

3.2 數(shù)字濾波

光電轉(zhuǎn)換的噪聲、ADC采樣誤差以及光纖中光信號(hào)本身的不穩(wěn)定性都會(huì)給光功率值的測(cè)量帶來一定的干擾，因此采用去極值平均濾波方法[5]。該方法是將連續(xù)測(cè)量的n個(gè)采樣值按照大小排序，去掉最大值和最小值，然后對(duì)剩下的n-2個(gè)采樣值求取平均值。為了保證系統(tǒng)測(cè)量的靈敏度，ADC采樣速率設(shè)為24 MHz，然后ADC采樣32次，去掉最大的3組數(shù)據(jù)和最小的3組數(shù)據(jù)，剩余26個(gè)數(shù)據(jù)平均處理。

4 光功率計(jì)校準(zhǔn)

由于光電二極管自身的性能差異會(huì)在光電轉(zhuǎn)換過程中引入一定的誤差，同時(shí)ADC雖然精度高達(dá)16,但是仍舊存在一定的量化誤差，這些誤差可通過嚴(yán)格的校準(zhǔn)來修正[6]。用光纖和連接器連接光源、可調(diào)光衰減器、分光器、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和待校準(zhǔn)光功率計(jì)；用PC串口分別連接標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、待校準(zhǔn)光功率計(jì)和可調(diào)光衰減器。光功率計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 光功率計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過PC的串口設(shè)置可調(diào)光衰減器的衰減倍數(shù)，待光信號(hào)穩(wěn)定后，通過串口分別讀取待校準(zhǔn)功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)光功率值，進(jìn)行比較得到兩者的誤差。通過調(diào)節(jié)衰減器不同的衰減倍數(shù)，得到不同量程光功率值的修正值。校準(zhǔn)后的光功率計(jì)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 測(cè)試對(duì)照表

從表1中可以看出功率計(jì)精確度較高，誤差控制在±0.1 dBm內(nèi)，測(cè)量光功率范圍為-60～+10 dBm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到70 dBm，同時(shí)在光功率測(cè)量時(shí)整機(jī)電流小于20 mA，整機(jī)功耗小于30 mW。

結(jié) 語

[1] 黃琦，王文海．基于MSP430F149的智能儀表的設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化儀表，2006, 27(8)：26-28.

[2] 顧興志．穩(wěn)定光源與光功率計(jì)的研制[D]．重慶: 重慶大學(xué)，2004.

[3] Freescale.Kinetis KL46 Sub-Family Reference Manual (REV3)[EB/OL]. [2014-12]. http://cache freescale.com /files/microcontrollers/doc/ref_manual/KL46P121M48 SF4RM. pdf?fromsite=zh-Hans.html.

[4] 李長(zhǎng)俊，江明珠，徐慶富．微功耗光功率計(jì)的研制與線性處理[J]．光通信技術(shù)，2009, 33(9)：60-62.

[5] 向紅軍，雷彬．基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法的研究[J]．電測(cè)與儀表，2005, 42(9):53-54.

[6] 曾智龍，李天松，蔣婕，等．光功率計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2001(9)：46-48.

王旭峰(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)楣怆妰x表。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2014-12-19)

Design of Optical Multimeter Based on KL46

Wang Xufeng,Lü Guoqing,Hou Guangen,Pan Wuxia,Li Haoquan

(Zhejiang Sinobloom Controls Co., Ltd.,Ningbo 315010,China)

In view of the optical multimeter in the domestic market which measurement accuracy is not enough or power consumption is high,a new portable optical multimeter is designed.This paper gives the main modules principle diagram of hardware,the software flow chart of system and the calibration method for optical power meter.This instrument based on low power consumption microprocessor KL46,consists of optical power meter,infrared light source and 1310nm wavelength laser light source.These modules not only can be used alone,but also can cooperate to use at the same time,which provides more convenient and lower cost choice for the general engineering test personnel and technical personnel.The result of the test indicates the optical power meter has the advantages of small uncertainty,low power,stable performance,and the infrared light source and the 1310nm wavelength laser light source both are stable and reliable.Therefore,the instrument has good use value.

KL46;optical multimeter;optical power meter;light source

TN247

A