摘 要：設(shè)計了一款基于Zigbee的物聯(lián)網(wǎng)光纖功率計，該光功率計采用光電探測器實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，利用高性能運放TLC2652和18位的A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX132以保證測量精度；選用ST12系列單片機來控制信號的檢測，處理與顯示以及與CC2530的通信。這些光纖功率計測量節(jié)點，與一個協(xié)調(diào)器節(jié)點組成無線傳感網(wǎng)，實現(xiàn)光纖功率計測量結(jié)果的實時傳輸和集中監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：光纖功率計；物聯(lián)網(wǎng)；單片機；Zigbee；CC2530

1引言

隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展， 對于光纖傳輸光的監(jiān)測與測量顯得尤為重要。光纖功率計可測量光發(fā)射機的輸出功率及輸出功率穩(wěn)定度、光傳輸線路中的平均傳輸功率、光接收端機的靈敏度、各種無源器件的插入損耗和衰減量等，是通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護、科研和生產(chǎn)中普遍使用的通信儀表[1]。

光功率的測試是通信專業(yè)學(xué)生實驗中非常重要，也是很常用的一個項目。而在實驗教學(xué)中，教師希望能實時查看學(xué)生在各個測量節(jié)點所測得的實驗數(shù)據(jù)，針對這一應(yīng)用，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點，本文設(shè)計了一款基于Zigbee技術(shù)的光纖功率計。

2光功率計硬件設(shè)計

光功率計測量硬件由光信號檢測、電信號處理、MCU控制，結(jié)果顯示和無線收發(fā)5部分組成。

2.1光信號檢測

光電檢測器是轉(zhuǎn)換的光電核心部分，選擇是否合適在很大程度上影響光功率計的性能。隨著近幾年P(guān)IN光電二極管等新型光電探測器的廣泛研究及開發(fā)，其在對光信號的檢測上，不僅檢測精度有所提高，而且受工作環(huán)境因素影響較小，所以在本設(shè)計中采用InGaAs-PIN光電二極管[2]。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換和信號放大

在微弱信號的測量中，常常需要放大微伏級的電信號。這時，普通的運算放大器已無法使用了，因為它們的輸入失調(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點幾微伏以上。雖然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移是難以消除的。德州儀器公司生產(chǎn)的斬波穩(wěn)零型運算放大器提供了一種解決微信號放大問

題的廉價方案，TLC2652和TLC2652A是德州儀器公司使用先進的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小，TLC2652非常適合用于微信號的放大[3]。

光電檢測器檢測的光電流很小，需要對它進行放大。本設(shè)計選用TI儀器公司的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652做模擬放大，可以滿足本設(shè)計對微弱信號放大的需要。

2.3 信號采集，處理與顯示

經(jīng)放大電路放大后的電信號為模擬信號，需通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入MCU進行處理，選用±18 位串行高精度低功耗的A/D轉(zhuǎn)換器MAX132[4]。MAX132與單片機通過串口相連，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機。單片機可選STC12雙串口單片機，由單片機完成信號控制與處理的功能。單片機將接收到的數(shù)字信號經(jīng)處理后送于液晶屏顯示，與此同時還會將測量信息通過無線收發(fā)芯片CC2530將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

單片機接收按鍵信息，可實現(xiàn)開關(guān)機，波長選擇，測量結(jié)果單位轉(zhuǎn)換等功能。

2.4 無線收發(fā)部分

選用TI的芯片CC2530，與ST12單片機通過串口相連。CC2530是TI公司推出的第二代ZigBee無線射頻芯片。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器增強型的8051CPU和系統(tǒng)可編程Flash存儲器，可運行TI官方的ZigBee2007協(xié)議棧，更適用于超低功耗的應(yīng)用場合。

二、協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點采用CC2530芯片，并外接以太網(wǎng)模塊ENC28J60和WiFi模塊，可利用以太網(wǎng)模塊加有線的雙絞線與教師機服務(wù)器通信，亦可以利用WiFi模塊通過無線與教師機服務(wù)器通信，將協(xié)調(diào)器接收的各個光功率計傳來的測量結(jié)果發(fā)送到教師機服務(wù)器。

ENC28J60 網(wǎng)絡(luò)模塊是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）的獨立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。同時ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊還提供了一個內(nèi)部DMA 模塊，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算，與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mb/s。

三、組網(wǎng)模式

ZigBee支持星形、樹形和網(wǎng)狀網(wǎng)三種zigbee網(wǎng)絡(luò)[5]。星形拓撲是最簡單的一種拓撲形式，他包含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一系列的終端節(jié)點。每一個終端節(jié)點只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通訊。如果需要在兩個終端節(jié)點之間進行通訊必須通過協(xié)調(diào)器節(jié)點進行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，本設(shè)計中采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，如圖所示。

星形組網(wǎng)圖

各個光功率計為終端節(jié)點，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點，可將測試結(jié)果實時地傳送到教師機，教師可實時查看多個學(xué)生節(jié)點的測量數(shù)據(jù)。

四、總結(jié)

設(shè)計中選擇了高性能InGaAs光電探測器、18位A /D轉(zhuǎn)換芯片、ST12高速單片機，保證了準(zhǔn)確測量光纖中傳輸?shù)墓夤β剩?將測量結(jié)果顯示在液晶屏幕上。并將測量值通過無線收發(fā)器CC2530發(fā)射出去，各個帶有無線收發(fā)器CC2530的光功率計將測量結(jié)果均可傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。而協(xié)調(diào)器節(jié)點又可以通過有線和無線兩種方式接入服務(wù)器，故我們在服務(wù)器上可實時查看各光功率計的測量結(jié)果。

而這一設(shè)計不僅對于光纖功率計的實驗教學(xué)有幫助，亦可借鑒到其他儀表的測量應(yīng)用中，而這樣一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光功率計在現(xiàn)場測試中，也可以將各個節(jié)點測量值實時發(fā)送到監(jiān)控端，對于情況的掌握將發(fā)揮很大的幫助作用。此設(shè)計可滿足高校實驗室的教學(xué)和光通信施工部門的施工檢測與維護需求。在光信息、光通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]周隨霞，黃啟俊，常勝.一種便攜式光纖功率計的設(shè)計方法[J].電子工程師，2007（1），3-5.

[2]姚志紅，宋壽鵬，胡曉婷. 基于STM32的光功率計的設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù)，2015，（11）：126-130.

作者簡介：

張艷（1981.07）女，漢，本科碩士，講師，從事控制類高等教育研究。endprint