1 引言

伴隨著國(guó)內(nèi)外國(guó)民經(jīng)濟(jì)超高速發(fā)展，其光電子技術(shù)的也進(jìn)行更新?lián)Q代的發(fā)展，光功率測(cè)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(cè)試儀器儀表測(cè)試及生產(chǎn)等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)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(shí)該光功率測(cè)試系統(tǒng)還帶有LCD128×64液晶顯示屏進(jìn)行顯示，具有高精確性的特點(diǎn)，非常適應(yīng)于光信號(hào)檢測(cè)和光通信技術(shù)領(lǐng)域的使用和推廣。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光功率測(cè)試系統(tǒng)由ATmegal28微處理器、光電信號(hào)探測(cè)器、I/V變換器、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)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(jì)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(qiáng)大的處理器。工作時(shí)鐘頻率16 MHz，工作電壓VCC是5 V。其具有53個(gè)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(jìn)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(hào)探測(cè)器

光功率測(cè)試系統(tǒng)中探測(cè)器是直接將光的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電的信號(hào)的關(guān)鍵部件。光電信號(hào)探測(cè)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(cè)的光源信號(hào)為電流的信號(hào)。探測(cè)器應(yīng)用三線正級(jí)、負(fù)級(jí)、地級(jí)3個(gè)端口進(jìn)行控制。隨著被測(cè)得光源信號(hào)強(qiáng)度變化，探測(cè)器中的傳感器進(jìn)行探測(cè)輸出的電流也會(huì)緊跟著變化。ATmega128微處理器通過對(duì)變化的電流量變化及轉(zhuǎn)換分析得出相對(duì)的被測(cè)光源信號(hào)的變化數(shù)值。

2.3 I／V變換器

光電信號(hào)探測(cè)器輸出比較小電流信號(hào)與電路設(shè)計(jì)的電壓放大器不相匹配，需把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。電路設(shè)計(jì)一個(gè)輸入電流I，由公式V=AI的計(jì)算方式輸出電壓，A是設(shè)計(jì)電路的增益，通過V/A進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示，信號(hào)電流相加算出-IS+(V-0)/R=0，即： V=RIS,其中R是設(shè)計(jì)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(guó)AD公司16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7715芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 微功耗。電壓在3V和1 MHz主頻情況時(shí)AD7715芯片消耗總的電流不會(huì)超過450μA，待機(jī)的電流低于10μA，是低功耗系統(tǒng)中理想芯片。

② 可進(jìn)行編程增益輸入允許AD7715芯片將傳感器或應(yīng)變片的信號(hào)直接的接到輸入端而省略掉數(shù)量可觀的信號(hào)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(shí)，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(jìn)行控制輸出刷新頻率，使輸入增益，頂部模式或信號(hào)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(cè)試系統(tǒng)通過探測(cè)器將通過光纖輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，再由電流信號(hào)通過I／V變換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jìn)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(dòng)量程切換

光功率測(cè)試系統(tǒng)中，自動(dòng)量程切換通過多通道開關(guān)芯片CD4051和集成運(yùn)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(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(hào)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(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)變相應(yīng)的數(shù)值，最后由LCD128×64液晶顯示屏進(jìn)行顯示。LCD128×64是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示8×4個(gè)（16×16點(diǎn)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(diǎn)是傳輸速率非?？欤碚撋夏苓_(dá)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(shí)現(xiàn)

ATmega128微處理器通電后首先進(jìn)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(shí)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(xiàng)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(jìn)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(cè)量對(duì)比

將光功率測(cè)試系統(tǒng)與日本橫河（YOKOGAWA）公司光功率測(cè)試系統(tǒng)(型號(hào)WT130)進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試并對(duì)比，波長(zhǎng)是1310 nm，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比

通過以上數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比，得出該光功率測(cè)試系統(tǒng)具有高精確性。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)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(jì)一套實(shí)用與精度高的光功率測(cè)試系統(tǒng)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。