基于STC89C516 单片机的数字光功率计设计
时间：2009-03-25 16:08:55
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[导读]0 引言单片机应用于传感器控制技术使得工业生产更加现代化，而在通信过程中，对传感器的控制则尤为重要。对通信质量的检测和判断需要对数据更好的处理，数字光功率计是一种由单片机控制的、可测量光信号强弱的便携式
0 引言
单片机应用于传感器控制技术使得工业生产更加现代化，而在通信过程中，对传感器的控制则尤为重要。对通信质量的检测和判断需要对数据更好的处理，数字光功率计是一种由单片机控制的、可测量光信号强弱的便携式仪器，是科学实验、光纤通信工程中一种不可缺少的便携式测量仪器。光功率计因能检测出光纤信号源的功率，而被广泛运用于实际光纤检测实践和科学实验中，同时，光功率计还可以判断光纤信号传输过程中的损耗与衰减。本文根据 InGaAs-PIN 高响应度的光电响应特性。经过 STC 89C 516RD+ 芯片处理，同时结合 LCD1602 显示技术，设计出一种新型数字光功率计。
1 系统工作原理
数字光功率计的基本工作原理如图 1 所示，它首先把传输过来的光信号投射在 InGaAs-PIN 光探测器的光敏面上以将其转变为电流，再经过 I ／ V 变换电路和放大电路得到电压信号。然后把这个信号送到低通滤波器进行滤波及响应度补偿放大，以得到与功率值相对应的直流电压，之后再将该电压经 A ／ D 转换，以得到表示功率大小的数字量，最后通过 CPU 进行数据处理和判断后，将数据送入 LCD 显示器进行功率显示或指示。
2 光电转换
InGaAs-PIN 是一种低噪声、高响应度的光电检测器，具有较高的测量灵敏度。当 InGaA8-PIN 管接收光输入后，由于价带中电子吸收了光子而跃迁到导带，因而可产生一个电子 - 空穴对。该电子 - 空穴对若在耗尽区产生，那么，在自建电场 (PI 管一般采用零偏压 ) 的作用下，电子将向 N 区漂移，空穴向 P 区漂移，从而产生与输入光功率成正比的电流信号。 InGaAs-PIN 的光响应度可达 0.8 ，波长范围为 1.3 ～ 1.6 μ m 。事实上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等综合考虑， InGaAs-PIN 无疑是一种很好的选择。因为在实际设计中，往往都需要测试光电二极管的响应度，只有测量并进行数据处理，才能得到每个光电二极管响的应度参数，从而减小数据误差。
3 放大电路的设计
系统中的前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光功率计的精度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择。主放大器一般是多级放大器，其作用是提供足够的增益，一般都通过它实现自动增益控制 (AGC) 。图 2 是利用 CD4051 来作为一个单刀八掷开关对放大电路进行放大设置的电路图。该系统通过软件控制使小信号得到较大地放大，而使大信号得到较小的放大，从而满足模数转换器的输入电压要求。主放大器和 AGC 可决定光功率计的测试范围。从而通过对电压的处理来实现功率的测量。电流经过运放以后可转变成电压，其信号关系为： V=RI 。最后通过 ADC0809 转换成数字信号送入单片机进行处理。
4 单片机控制系统
STC 89C 51RC ／ RD+ 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰／高速／低功耗单片机，指令代码完全兼容于传统 8051 单片机，它有 12 时钟／机器周期和 6 时钟／机器周期可供任意选择， STC 89C 51RC ／ RD+ 的最新 D 版本芯片内部集成有 MAX810 专用复位电路和通用 I ／ O 口 (32 ／ 36 个 ) ，复位后的 P1 ／ P2 ／ P3 ／ P4 是准双向口／弱上拉 ( 普通 8051 传统 I ／ O 口 ) ， P0 口是开漏输出，其作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，而作为 I ／ O 口用时，则需加上拉电阻。由于其内部集成 MAX810 专用复位电路 (D 版本才有 ) ，因此，外部晶体在 20 MHz 以下时，可省去外部复位电路。该单片机共有 3 个 16 位定时器／计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用。其单片机电路如图 3 所示。
功能键是人机交互式处理系统中不可缺少的一部分，此设计采用了电源开关控制键、波长选择控制键、功率显示控制键、功率分贝显示键等四个键。
其中，电源开关键的功能是在开通时提供 +5V 直流电压，同时给单片机一个复位操作；
波长选择键 ( 按键 1) 的功能是进行 1310 nm 与 1550 nm 的波段选择。默认为 1310 nm ，按一下该键，可进行两波段切换；
功率显示控制键 ( 按键 2) 的作用是进行显示屏到功率显示的切换；
功率分贝显示键 ( 按键 3) 的作用是在显示屏到分贝形式显示功率之间进行切换。
5 调试设计
产品调试直接关系到产品的质量与性能。软件调试需要用到 uVision 软件， Keil C51 是美国 KeilSoftware 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统。与汇编相比， C 语言在功能、结构性、可读性、可维护性等方面具有明显的优势，而且易学易用。此外， Keil C51 软件还提供有丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，且全 Windows 界面。 Keil C51 生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码都很紧凑，很容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 uVision 在编译过程中，能很好的检测出程序的错误与警告，并能直观提示是哪一行程序出了问题，故可方便地对程序进行检测与验证。 uVision 采用 BL51 作连接器，因为 BL51 兼容 L51 ，所以，一切能在 Dos 下工作的 project 都可以到 uVision 中进行连接调试。 uVision 采用 dScope for windows 作调试器，该调试器支持 MON51 及系统模拟两种方式，而且功能较 for DOS 要强大好用，调试功能也很强大。
在系统硬件调试中，可利用 51 系列仿真器 F51-64K 进行硬件仿真， uVision 也对 51 系列仿真器进行了说明与介绍。同时， uVision 还可与 F51-64K 进行联合仿真，它可以根据仿真步骤进行实际操作，并利用参考光功率计进行调试，以便此设计程序在语法没有错误的基础上能够正确测量光纤功率。表 1 所列是 1550 nm 时的测量结果。该测量结果与实际结果基本相同，光电流和功率的关系与设计初期所测量的数据相符。
结束语
光通信技术的飞速发展以及光缆与光纤的大量应用，促使了智能化测试仪器在实验室教学和工程应用中的飞速发展。本文从基础的光电转换技术人手，通过微处理器对信息数据进行处理，并根据需要进行判断，经过反复调试运行，给出了这种数字光功率计的设计方法。该光功率计具有成本低、维护简单、误差小等诸多优点，可满足高校实验室的教学和光通信施工部门的施工检测与维护需求，具有广阔的市场应用前景和参考价值。
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