基于KL46主控制器的光万用表设计

摘要：针对国内市场上的光万用表存在测量不够精确或者功耗过高的问题，设计了一款手持式光万用表，给出了主要模块的硬件原理图、系统软件流程图及光功率计校准方法，该仪表以超低功耗微处理器KL46为控制核心，集成光功率计、红光光源和1310 nm单波长激光光源功能，各个功能可以单独使用，也可以配合使用，为广大工程测试人员以及技术人员提供了更为方便和更低成本的选择。测试结果表明，其光功率计不确定度小、功耗极低、性能稳定，其红外光源和1310 nm单波长激光光源稳定可靠，具有很高的使用价值。

引言

数字化智能化测控仪表是近年来工业过程应用仪表方面的主要发展趋势。微电子技术的发展和工业过程对测控方面要求的加强，使智能化测控仪表的应用更广、成本更低。单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活的特点。由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行的道路，手持式光功率计和光源是电信工程与维护、光通信研究与教学中十分常用的设备，并经常组合使用。将光功率计和稳定光源组合在一起称为“光万用表”，它常用来测量光纤链路的光功率损耗。

Kinetis L系列MCU基于高能效的ARM Cortex-M0+处理器，通过精细的设计、完整系列的解决方案将ARM Cortex-M0+处理器的低功耗特性提高到新水平，提供了卓越的灵活性与扩展性。因此，采用KL462256VLH4(以下简称KL46)作为主控器，利用其自带的16位ADC，再加上外围电路，实现了光功率计、红光光源和单波长激光光源功能。

1 工作原理

光万用表系统是由光功率计、红光光源和单波长激光光源3个部分组成，其工作原理如图1所示。

光功率计部分将待测光信号经光电转换模块转换为电流信号，再经过I/V变换和信号调理电路后转换为电压信号，之后用KL46的ADC进行模/数转换，运算处理后得到光功率值，显示到LCD。

红光光源和单波长激光光源由KL46直接控制发出红光和1310 mm激光。

2 硬件设计

2.1 光电探测器

光电探测器是光电转换的关键器件，用于将光信号转换为电流信号，常用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。APD具有很高的内部倍增因子，但是噪声性能较差、偏置电压较高、温度稳定性差、结构复杂且价格高。而PIN光电二极管具有高响应度、低暗电流、宽动态范围、高线性度、重复性好、价格便宜等优点，完全满足光功率设计的要求。因此设计中采用重庆浩铎光电科技有限公司InGaAs PIN，该器件能响应850～1650 nm波长，暗电流为0.5 nA，响应度是0.85 A/W，动态范围为-60～+10 dBm。

2.2 I/V转换及量程切换电路

光纤中光信号通常很弱，从nW级到mW级。这就要求仪表必须有多个量程并且能够根据光信号大小范围自动切换量程。由于输入信号比较小，其量程切换实际上是放大倍数的切换。MCU根据输入信号的大小，通过控制模拟开关来改变反馈电阻阻值实现信号强度的放大切换，使经过调理后的输出电压能够满足ADC对输入的要求。I/V转换及量程切换电路主要由一个8路模拟开关MAX4638和一个低功耗低噪声单电源双路运放OPA2344组成，如图2所示。

根据A0、A1和A2引脚可选择8个不同的通道，对应不同的放大倍数，经过放大后的ADC两端输入电压：V=I—optical×R。

2.3 单片机控制系统

飞思卡尔KL462256VLH4是基于ARM Cortex—M0+内核32位MCU，拥有256 KB的闪存、32 KB RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模拟比较器。该芯片资源丰富，集成了LCD驱动功能和16位ADC，减少了外围电路配置，降低了成本，整体功耗较低。仪表的显示采用段码式LCD屏显示。由于ADC的差分模拟输入方式具有高宽带、低功耗、低失真的优点，因此设计中AD0采用差分转换方式来检测放大后的电压信号。另外，AD10用普通的单端模拟输入方式，间隔一段时间采集电池电压信号。采用3×3矩阵式键盘，占用6个I/O，主要完成以下功能：波长切换、数据存储、显示方案切换、开关机、单位切换、开关光源。

2.4 光源

2.4.1 红光光源

红光激光笔是检测光纤故障的常用辅助工具，将红光打入光纤中，故障位置和高损耗位置红光会漏射而产生的可见亮斑可实现光纤故障可视化定位。因此仪表系统集成了红光光源功能，能够发射0 Hz、1 Hz和2 Hz频率光。红光激光器，采用重庆浩铎光电科技有限公司的650 nm激光器组件，其工作电流是30 mA，为了取得稳定的工作电流，驱动电路采用恒定电流的电路驱动控制方式，如图3所示。

当外围的Vset设置完毕后，由于精密运放U1的3引脚和4引脚虚短可推知，运放的3引脚与4引脚是等电位的。而根据运放虚断的概念可以得出R1两端电压相等，所以TP1电压恒定等于Vset的值。串联支路中流过R11的电流即为流过LD的电流，电流大小为I=Vset/R11。当Vset为恒定值时，流过LD的电流恒定，达到恒定电流驱动激光器的目的。

电路中的Q8为增强型N沟道MOSFET管，主要是用来控制激光脉冲的开启与关闭。由TP3输入的外界控制频率，通过Q8控制Q1的基极偏压，从而控制Q1的开和关状态，实现红光驱动电路按指定频率发送脉冲红光。

2.4.2 单波长激光光源

单波长激光光源分为0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz频率光。单波长激光器采用武汉昱升光器件公司生产的YSLD3118型1310 nm激光器。为了发射稳定功率的激光信号，且由于该器件内部集成光功率探测器(PD)，激光器的控制可以采用自动功率控制的电路驱动方式。红光激光器驱动电路如图4所示。电路由外围电压vset设置激光器初始的工作状态，当LD发光后，PD探测到部分光电流，然后通过对地电阻R9转换为TP2的电压，同时TP2电压反馈到运放的同相端(Vset电压从运放的反相端)输入，形成了与输入电压的反向补偿输入机制。

当LD功率变大时，PD探测到的电流变大，TP2的电压变高，那么OPA2340的1引脚输出电压变高，Q4导通程度变小，LD的电流变小，从而使得LD功率又回归变小。这种自适应的电路方式，通过实时改变LD电流大小，最终使LD功率稳定在某一恒定范围内。

驱动电路增加了脉冲控制激光器输出功能，脉冲从R5端输入，控制Q2开关来分时导通，使得Vset由脉冲高低电平来实现开关控制，实现LD随输入控制信号频率来发送激光。

3 系统软件设计

系统软件采用模块式设计方法，整个系统由系统初始化、A/D转换、按键扫描等模块组成。仪表上电后，首先进行系统初始化模块，然后开始运行。在执行过程中，根据选择分别调用各个功能模块完成对应的功能。程序流程图如图5所示。

3.1 量程控制

光功率计量程分为8个档位，放大电阻从100 Ω～100MΩ，ADC采样数值范围为0～32 768，量程切换规则如下：

①若ADC采样值小于3 000，则量程升一档选用高一级的放大电阻。

②若ADC采样值大于30 000，则量程降一档选用低一级的放大电阻。

③若已经为最大量程，ADC采样值还是非常小，则启用ADC的内部PGA功能进行放大，最小放大倍数是2，最大放大倍数是64。选用的放大倍数能够让ADC采样值经放大后超过3 000即可，无法达到3 000则按最大放大倍数进行放大。

3.2 数字滤波

光电转换的噪声、ADC采样误差以及光纤中光信号本身的不稳定性都会给光功率值的测量带来一定的干扰，因此采用去极值平均滤波方法。该方法是将连续测量的n个采样值按照大小排序，去掉最大值和最小值，然后对剩下的n-2个采样值求取平均值。为了保证系统测量的灵敏度，ADC采样速率设为24 MHz，然后ADC采样32次，去掉最大的3组数据和最小的3组数据，剩余26个数据平均处理。

4 光功率计校准

由于光电二极管自身的性能差异会在光电转换过程中引入一定的误差，同时ADC虽然精度高达16，但是仍旧存在一定的量化误差，这些误差可通过严格的校准来修正。用光纤和连接器连接光源、可调光衰减器、分光器、标准光功率计和待校准光功率计;用PC串口分别连接标准功率计、待校准光功率计和可调光衰减器。光功率计校准系统结构如图6所示。

通过PC的串口设置可调光衰减器的衰减倍数，待光信号稳定后，通过串口分别读取待校准功率计和标准功率计光功率值，进行比较得到两者的误差。通过调节衰减器不同的衰减倍数，得到不同量程光功率值的修正值。校准后的光功率计测试对比数据如表1所列。

从表1中可以看出功率计精确度较高，误差控制在±0.1 dBm内，测量光功率范围为-60～+10 dBm，动态范围达到70 dBm，同时在光功率测量时整机电流小于20 mA，整机功耗小于30 mW。

结语

设计中采用KL462256VLH4微处理器作为主控芯片激光万用表，集成了光功率计、红光光源和单波长激光光源，免去了携带多个仪表奔赴测试现场的不便。光功率计部分具有误差小、功耗低、成本低、性能稳定等优点，基本上达到进口仪表的水平;红光光源和单波长激光光源性能稳定。整体来说，仪表可满足高校实验室的教学和光通信部门的施工检测与维护需求，具有广阔的市场前景。同时，本仪表的设计方法和思路同样适用于便携式设备的设计原则，具有很高的参考价值。