基于KL46主控制器的光萬用表設(shè)計(jì)

摘要：針對國內(nèi)市場上的光萬用表存在測量不夠精確或者功耗過高的問題，設(shè)計(jì)了一款手持式光萬用表，給出了主要模塊的硬件原理圖、系統(tǒng)軟件流程圖及光功率計(jì)校準(zhǔn)方法，該儀表以超低功耗微處理器KL46為控制核心，集成光功率計(jì)、紅光光源和1310 nm單波長激光光源功能，各個(gè)功能可以單獨(dú)使用，也可以配合使用，為廣大工程測試人員以及技術(shù)人員提供了更為方便和更低成本的選擇。測試結(jié)果表明，其光功率計(jì)不確定度小、功耗極低、性能穩(wěn)定，其紅外光源和1310 nm單波長激光光源穩(wěn)定可靠，具有很高的使用價(jià)值。

引言

數(shù)字化智能化測控儀表是近年來工業(yè)過程應(yīng)用儀表方面的主要發(fā)展趨勢。微電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)過程對測控方面要求的加強(qiáng)，使智能化測控儀表的應(yīng)用更廣、成本更低。單片機(jī)具有成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)。由各具體行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士使用單片機(jī)來開發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路，手持式光功率計(jì)和光源是電信工程與維護(hù)、光通信研究與教學(xué)中十分常用的設(shè)備，并經(jīng)常組合使用。將光功率計(jì)和穩(wěn)定光源組合在一起稱為“光萬用表”，它常用來測量光纖鏈路的光功率損耗。

Kinetis L系列MCU基于高能效的ARM Cortex-M0+處理器，通過精細(xì)的設(shè)計(jì)、完整系列的解決方案將ARM Cortex-M0+處理器的低功耗特性提高到新水平，提供了卓越的靈活性與擴(kuò)展性。因此，采用KL462256VLH4(以下簡稱KL46)作為主控器，利用其自帶的16位ADC，再加上外圍電路，實(shí)現(xiàn)了光功率計(jì)、紅光光源和單波長激光光源功能。

1 工作原理

光萬用表系統(tǒng)是由光功率計(jì)、紅光光源和單波長激光光源3個(gè)部分組成，其工作原理如圖1所示。

光功率計(jì)部分將待測光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再經(jīng)過I/V變換和信號(hào)調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，之后用KL46的ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，運(yùn)算處理后得到光功率值，顯示到LCD。

紅光光源和單波長激光光源由KL46直接控制發(fā)出紅光和1310 mm激光。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電探測器

光電探測器是光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，常用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD具有很高的內(nèi)部倍增因子，但是噪聲性能較差、偏置電壓較高、溫度穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格高。而PIN光電二極管具有高響應(yīng)度、低暗電流、寬動(dòng)態(tài)范圍、高線性度、重復(fù)性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足光功率設(shè)計(jì)的要求。因此設(shè)計(jì)中采用重慶浩鐸光電科技有限公司InGaAs PIN，該器件能響應(yīng)850～1650 nm波長，暗電流為0.5 nA，響應(yīng)度是0.85 A/W，動(dòng)態(tài)范圍為-60～+10 dBm。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換及量程切換電路

光纖中光信號(hào)通常很弱，從nW級(jí)到mW級(jí)。這就要求儀表必須有多個(gè)量程并且能夠根據(jù)光信號(hào)大小范圍自動(dòng)切換量程。由于輸入信號(hào)比較小，其量程切換實(shí)際上是放大倍數(shù)的切換。MCU根據(jù)輸入信號(hào)的大小，通過控制模擬開關(guān)來改變反饋電阻阻值實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的放大切換，使經(jīng)過調(diào)理后的輸出電壓能夠滿足ADC對輸入的要求。I/V轉(zhuǎn)換及量程切換電路主要由一個(gè)8路模擬開關(guān)MAX4638和一個(gè)低功耗低噪聲單電源雙路運(yùn)放OPA2344組成，如圖2所示。

根據(jù)A0、A1和A2引腳可選擇8個(gè)不同的通道，對應(yīng)不同的放大倍數(shù)，經(jīng)過放大后的ADC兩端輸入電壓：V=I—optical×R。

2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

飛思卡爾KL462256VLH4是基于ARM Cortex—M0+內(nèi)核32位MCU，擁有256 KB的閃存、32 KB RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模擬比較器。該芯片資源豐富，集成了LCD驅(qū)動(dòng)功能和16位ADC，減少了外圍電路配置，降低了成本，整體功耗較低。儀表的顯示采用段碼式LCD屏顯示。由于ADC的差分模擬輸入方式具有高寬帶、低功耗、低失真的優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中AD0采用差分轉(zhuǎn)換方式來檢測放大后的電壓信號(hào)。另外，AD10用普通的單端模擬輸入方式，間隔一段時(shí)間采集電池電壓信號(hào)。采用3×3矩陣式鍵盤，占用6個(gè)I/O，主要完成以下功能：波長切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示方案切換、開關(guān)機(jī)、單位切換、開關(guān)光源。

2.4 光源

2.4.1 紅光光源

紅光激光筆是檢測光纖故障的常用輔助工具，將紅光打入光纖中，故障位置和高損耗位置紅光會(huì)漏射而產(chǎn)生的可見亮斑可實(shí)現(xiàn)光纖故障可視化定位。因此儀表系統(tǒng)集成了紅光光源功能，能夠發(fā)射0 Hz、1 Hz和2 Hz頻率光。紅光激光器，采用重慶浩鐸光電科技有限公司的650 nm激光器組件，其工作電流是30 mA，為了取得穩(wěn)定的工作電流，驅(qū)動(dòng)電路采用恒定電流的電路驅(qū)動(dòng)控制方式，如圖3所示。

當(dāng)外圍的Vset設(shè)置完畢后，由于精密運(yùn)放U1的3引腳和4引腳虛短可推知，運(yùn)放的3引腳與4引腳是等電位的。而根據(jù)運(yùn)放虛斷的概念可以得出R1兩端電壓相等，所以TP1電壓恒定等于Vset的值。串聯(lián)支路中流過R11的電流即為流過LD的電流，電流大小為I=Vset/R11。當(dāng)Vset為恒定值時(shí)，流過LD的電流恒定，達(dá)到恒定電流驅(qū)動(dòng)激光器的目的。

電路中的Q8為增強(qiáng)型N溝道MOSFET管，主要是用來控制激光脈沖的開啟與關(guān)閉。由TP3輸入的外界控制頻率，通過Q8控制Q1的基極偏壓，從而控制Q1的開和關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)紅光驅(qū)動(dòng)電路按指定頻率發(fā)送脈沖紅光。

2.4.2 單波長激光光源

單波長激光光源分為0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz頻率光。單波長激光器采用武漢昱升光器件公司生產(chǎn)的YSLD3118型1310 nm激光器。為了發(fā)射穩(wěn)定功率的激光信號(hào)，且由于該器件內(nèi)部集成光功率探測器(PD)，激光器的控制可以采用自動(dòng)功率控制的電路驅(qū)動(dòng)方式。紅光激光器驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電路由外圍電壓vset設(shè)置激光器初始的工作狀態(tài)，當(dāng)LD發(fā)光后，PD探測到部分光電流，然后通過對地電阻R9轉(zhuǎn)換為TP2的電壓，同時(shí)TP2電壓反饋到運(yùn)放的同相端(Vset電壓從運(yùn)放的反相端)輸入，形成了與輸入電壓的反向補(bǔ)償輸入機(jī)制。

當(dāng)LD功率變大時(shí)，PD探測到的電流變大，TP2的電壓變高，那么OPA2340的1引腳輸出電壓變高，Q4導(dǎo)通程度變小，LD的電流變小，從而使得LD功率又回歸變小。這種自適應(yīng)的電路方式，通過實(shí)時(shí)改變LD電流大小，最終使LD功率穩(wěn)定在某一恒定范圍內(nèi)。

驅(qū)動(dòng)電路增加了脈沖控制激光器輸出功能，脈沖從R5端輸入，控制Q2開關(guān)來分時(shí)導(dǎo)通，使得Vset由脈沖高低電平來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)LD隨輸入控制信號(hào)頻率來發(fā)送激光。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊式設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化、A/D轉(zhuǎn)換、按鍵掃描等模塊組成。儀表上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化模塊，然后開始運(yùn)行。在執(zhí)行過程中，根據(jù)選擇分別調(diào)用各個(gè)功能模塊完成對應(yīng)的功能。程序流程圖如圖5所示。

3.1 量程控制

光功率計(jì)量程分為8個(gè)檔位，放大電阻從100 Ω～100MΩ，ADC采樣數(shù)值范圍為0～32 768，量程切換規(guī)則如下：

①若ADC采樣值小于3 000，則量程升一檔選用高一級(jí)的放大電阻。

②若ADC采樣值大于30 000，則量程降一檔選用低一級(jí)的放大電阻。

③若已經(jīng)為最大量程，ADC采樣值還是非常小，則啟用ADC的內(nèi)部PGA功能進(jìn)行放大，最小放大倍數(shù)是2，最大放大倍數(shù)是64。選用的放大倍數(shù)能夠讓ADC采樣值經(jīng)放大后超過3 000即可，無法達(dá)到3 000則按最大放大倍數(shù)進(jìn)行放大。

3.2 數(shù)字濾波

光電轉(zhuǎn)換的噪聲、ADC采樣誤差以及光纖中光信號(hào)本身的不穩(wěn)定性都會(huì)給光功率值的測量帶來一定的干擾，因此采用去極值平均濾波方法。該方法是將連續(xù)測量的n個(gè)采樣值按照大小排序，去掉最大值和最小值，然后對剩下的n-2個(gè)采樣值求取平均值。為了保證系統(tǒng)測量的靈敏度，ADC采樣速率設(shè)為24 MHz，然后ADC采樣32次，去掉最大的3組數(shù)據(jù)和最小的3組數(shù)據(jù)，剩余26個(gè)數(shù)據(jù)平均處理。

4 光功率計(jì)校準(zhǔn)

由于光電二極管自身的性能差異會(huì)在光電轉(zhuǎn)換過程中引入一定的誤差，同時(shí)ADC雖然精度高達(dá)16，但是仍舊存在一定的量化誤差，這些誤差可通過嚴(yán)格的校準(zhǔn)來修正。用光纖和連接器連接光源、可調(diào)光衰減器、分光器、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和待校準(zhǔn)光功率計(jì);用PC串口分別連接標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)、待校準(zhǔn)光功率計(jì)和可調(diào)光衰減器。光功率計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

通過PC的串口設(shè)置可調(diào)光衰減器的衰減倍數(shù)，待光信號(hào)穩(wěn)定后，通過串口分別讀取待校準(zhǔn)功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)光功率值，進(jìn)行比較得到兩者的誤差。通過調(diào)節(jié)衰減器不同的衰減倍數(shù)，得到不同量程光功率值的修正值。校準(zhǔn)后的光功率計(jì)測試對比數(shù)據(jù)如表1所列。

從表1中可以看出功率計(jì)精確度較高，誤差控制在±0.1 dBm內(nèi)，測量光功率范圍為-60～+10 dBm，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到70 dBm，同時(shí)在光功率測量時(shí)整機(jī)電流小于20 mA，整機(jī)功耗小于30 mW。

結(jié)語

設(shè)計(jì)中采用KL462256VLH4微處理器作為主控芯片激光萬用表，集成了光功率計(jì)、紅光光源和單波長激光光源，免去了攜帶多個(gè)儀表奔赴測試現(xiàn)場的不便。光功率計(jì)部分具有誤差小、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，基本上達(dá)到進(jìn)口儀表的水平;紅光光源和單波長激光光源性能穩(wěn)定。整體來說，儀表可滿足高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和光通信部門的施工檢測與維護(hù)需求，具有廣闊的市場前景。同時(shí)，本儀表的設(shè)計(jì)方法和思路同樣適用于便攜式設(shè)備的設(shè)計(jì)原則，具有很高的參考價(jià)值。