基于51单片机的光功率计的设计

摘要：通过光电传感器将待测光信号变化转变为模拟信号，对模拟信号进行AD处理分析得到光信号的参数特性并在51单片机上通过串口通讯输出。
关键词：光功率计；AD转换；单片机

1 背景概述
1．1 光功率定义
    光功率是光在单位时间内所做的功。光功率常用单位是毫瓦(mW)和分贝(dB)，其中两者关系为1mW=0dB，而小于1mW的分贝为负值。例如，在光纤收发器或交换机说明书中，有其产品的发光和接收光功率，通常发光小于0dB。
     接收端所能够接收的最小光功率称为灵敏度，能接收的最大光功率减去灵敏度的值称为动态范围，发光功率减去接收灵敏度是允许光纤损耗值。
1．2 使用分贝做单位主要有两个好处
    (1)数值较小，便于记录。电路放大倍数通常数量级较大，有些大型电路甚至达到万级以上。用分贝表示时，先转化为对数，数值较小，便于记录。(2)运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。如果某个功率放大器第一级的放大倍数是100倍(20dB)，第二级是20倍(13dB)，则总功率放大倍数为2 000倍，总增益33dB。
1．3 光功率计的设计要点
    针对实际应用，要选择适合的光功率计，应该关注以下各点：
    (1)选择最优的探头类型和接口类型。
    (2)评价校准精度和编写校准程序，与光纤和接头要求范围相匹配。
    (3)确定这些型号与测量范围和显示分辨率相一致。
    (4)具备直接插入损耗测量功能。

2 实验器件
    光功率计探头(光电传感器)，P89V51单片机实验板，RC低通滤波电路，TL074，CS5550，导线若干。

3 各功能模块详解

3．1 光功率计探头
    光功率计探头，是光信号转换为电信号的核心部件。探头带有光电传感器，用来接收被测光源的辐射并将其转换为电流信号。探头采用双线正负两个端口输出。当被检测光源强度发生变化时，传感器输出的电流会随之改变。我们通过对电流量变化进行转换分析最终获得外部光源的光功率变化参数。
3．2 I／U变换
    光功率探头输出小电流信号。电流信号与电压信号相比，长距离传输抗干扰性能较好。但是由于本次试验距离较短，同时为了与后面电压放大器相匹配，所以要转换为电压信号。连接时，光功率探头的输出正端口接入转换电路输入端，负端口与I／U变换电路共地连接。图2电路图中，J1为档位调节开关。

3．3 运算放大电路
    将电压信号通过仪用放大器进行放大。仪用放大器设计简单、放大效果好并且能够通过滑动电阻调整增益，便于实时调节电压信号、保护ADC芯片的输入量程、保护电路等。
    关于放大电路和I／U信号转换电路中运放芯片的选取，本设计采用TL074芯片。TL074芯片低功耗，低成本，拥有较低的输入偏置和低噪声，高输入阻抗及电流补偿，同时是具有内部频率补偿的一款常见芯片。电路设计如图3所示。

    图3中电阻阻值R11=R10=R=R13=R12 R7=R9
    输出电压表达式：
   
3．4 低通滤波器
    由于光电信号的变化属于低频范围，并且通过放大器引入的噪声不大，频率成分比较单一，滤波器阶数不需要太高，所以普通有源低通滤波器就可以满足实验的去噪要求。
3．5 AD转换电路
    由于光信号为低速信号，我们选用CS5550与单片机相连接。
    CS5550是CIRCUS LOGIC公司出的一款双通道△-∑串行AD芯片。芯片具有促进补偿和校准增益的功能。同时，具有SPI数字双向串行接口可以与单片机等MCU设备连接通讯。
    CS5550串行端口与配有收发缓冲器的状态机相配合。由状态机负责在SCLK的上升沿翻译8位字节命令。ADC的工作都是由内部24位寄存器所控制。
    8位读写命令告诉状态机是否进行寄存器的访问。在读出操作时，对应寄存器被载入芯片的输出缓冲器，同时在时钟SCLK的控制下输出。在写入操作时，数据在时钟控制下写进输入缓冲器，所有24位数据在第24个SCLK之后完全转换入对应寄存器。
    SPI串行总线接口
    CS5550串行总线包括四个控制线：CS，SDI，SDO和SCLK。CS作为芯片选择控制，用于使能对于串行接口的访问。当CS为低电平时，端口成为SPI总线端口。SDO用作串行输出，用于输出被AD转换器转换后的数据信号。当CS置为高电平时，SDO的输出成高阻状态。SCLK用作串行总线时钟，控制数据进出ADC的串行端口。只有在CS为低电平之后，SCLK的变化才可以被端口逻辑所识别。

    关键代码如下：
    


  
3．6 P89V51单片机
    选用PHILIPS公司生产的P89V51RD2芯片。该芯片拥有80C51型号CPU，四个八通道I／O口，三个16位定时计数器，可编程看门狗定时器，片内64KFLASH MEMORY等。单片机的P2口接CS5550的八位输出端。

3．7 单片机串口通讯
    将实验测量结果通过串口发送到PC中进行软件处理，绘制图线等，可以得到更加准确的光功率值。如MATLAB软件可以将其单位转化为dB形式，并将变化曲线描绘出来，从而更加直观地看到测试结果。也可以利用LabVIEW软件制作一个虚拟的显示屏，从而实时显示测量结果。
    串口发送函数：
   
   

4 光功率计的发展前景
    光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，光功率的测量十分重要。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。将光功率计与稳定光源组合使用，能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。

5 结束语
    实验结果数据校正需借助专业光功率计。将测试结果与光功率计的真实测量结果进行修正和拟合，我们发现在光强变化缓慢的情况下，实验结果与真实值相近，符合实验要求。但是在高频测量场合效果不理想，需要高性能的光感探头和高速AD转换器。