基于AVR單片機控制的通用便攜光功率計設(shè)計方案

0 引言

數(shù)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，是光纖通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護、科研和生產(chǎn)使用的重要儀器。然而，傳統(tǒng)的光功率計存在測量精度低，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單片機控制的通用便攜光功率計，具有量程可自動轉(zhuǎn)換，測量精度高，通用性強，攜帶方便的特點，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，它是基于增強型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單片機進行高速的同步數(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，被廣泛用于實驗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)計的數(shù)字光功率計采用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，可使單片機控制CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程并進行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)來實現(xiàn)。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(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個二進制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個二進制信號選通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。它的特點是功耗低，精度高，動態(tài)范圍廣，可自校準，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進行通訊以傳輸數(shù)據(jù)。ATmega16作為主機對AD7705進行控制，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。

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4 軟件結(jié)構(gòu)

ATmega16對整個系統(tǒng)進行控制。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，就選擇第四檔進一步進行放大、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，就選擇第一檔進行放大，轉(zhuǎn)換。

5 數(shù)據(jù)分析

通過實驗室標(biāo)準光功率計對該光功率計進行了校準，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)準光功率計，測指測試光功率計，單位為mW。由數(shù)據(jù)可看出，誤差較小，可滿足實驗室的一般實驗需求。

6 結(jié)語

提出了一種基于ATmega16的數(shù)字光功率計系統(tǒng)實現(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)的功能及具體實現(xiàn)。該光功率計已經(jīng)用于本專業(yè)的光電實驗教學(xué)，作為輔助測量儀器，效果良好。