基于MSP430F的多路光功率計設(shè)計

光通信中，需要對光纖中的載體光信號強刺進行準確測量，而光功率計就是基于此設(shè)計的能檢測出光纖信號源功率的儀表，是光纖通信工程實際應用和各種科學實驗不可缺少的測量儀器。

光功率計的核心運算和控制器件通常選用5V供電的C51系列單片機，系統(tǒng)功耗相對來說較高C51系列單片機本身沒有集成A／D轉(zhuǎn)換模塊，信號采集后的A／D轉(zhuǎn)換需要外接芯片，不僅占用單片機的I／O端口，而且增加功耗，對于功耗要求高的場合(比如戶外)就不適用。并且市場上通用光功率計基本都是單路測量，需要對多個光信號測量時只能不斷切換，比較繁瑣且容易損壞器件接頭。

本設(shè)計采用MSP430F2272單片機實現(xiàn)多路光功率的測量。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處里器(Mixed Signal Processor)具有處理能力強、運行速度快、集成度高、開發(fā)方便等優(yōu)點，有很高的性價。MSP430F 2272的供電電壓只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz時的電流只有270μA。系統(tǒng)內(nèi)部可提供或外接高達16MHz的時鐘信號，指令周期只有62．5ns，也可使用內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)或外接32768Hz低速晶體，用戶可靈活平衡高性能和低功耗的選擇。片上集成了10-bit 200kbps的A／D轉(zhuǎn)換器且含有具有3個捕獲比較奇存器的16位定時器TimerA、TimerB，4個8位并行復用端口，其中P1，P2口有中斷能力。擁有32kB+256B Flash Memory，1 kB RAM，支持JTAG在線編程和仿直調(diào)試。

1 設(shè)計原理

目前通用的光功率測量方法有兩種，一種是熱轉(zhuǎn)換型方式，利用黑體吸收光功率后溫度的升高米計算光功率的大小。這種光功率計光譜響應曲線平坦、準確度高，但是成本高、響應時間長，一般被用來作為標準光功率計。另一種辦法是半導體光電檢測方式，利用半導體PN結(jié)的光電效應，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號來計算光功率的大小。一般通用的光功率計郁采用第二種方法選用PIN光電探測器通過光電轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光功率的測量。
本設(shè)計把被測的光信號通過光電探測器(PIN)的半導體PN結(jié)光電效應轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換并放大后的電壓信號被送入單片機片上集成的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在單片機內(nèi)運算處理后在液晶上面顯示出測量結(jié)果。圖1是原理框圖。

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器也集成在片上，而本身MSP430系列單片機的超低功耗特性使得整個系統(tǒng)功耗比較低，可以選擇外接電源供電或者電池供電。

2 功能實現(xiàn)

整個系統(tǒng)主要由電源管理模塊，信號采集模塊，A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)運算處理模塊，液晶顯示模塊構(gòu)成。軟件在IAR Embedded Work-bench平臺上設(shè)計調(diào)試。

2．1 電源管理

系統(tǒng)是基于低功耗的，所以對于系統(tǒng)供電可以選擇外接適配器電源也可以選擇電池，為此設(shè)計了電源管理系統(tǒng)，如圖2所示。

當電池供電時，P溝道MOS管的的漏源極外接二極管導通，同時電源管理芯片LTC4412開始工作，使P溝道MOS管導通，工作于飽和區(qū)，把漏源壓降降到20mV，此時電池給負載供電，即使外接電源掉電系統(tǒng)也可以正常工作。

當外接電源接通后，肖特基二極管導通，負載電壓高于電池電壓，LTC4412 SENSE引腳電壓拉高，LTC4412關(guān)閉P溝道MOS管，使其工作于截止區(qū)，即使接有電池，負載電流也全部來自通過肖特基二極管的外接電源。此處不用硅二極管代替肖特基二極管，因為其正向?qū)▔航?0．7V)大于肖特基二極管(0．4V)，會產(chǎn)生較大功牦，容埸發(fā)熱。

在電池和外接電源之間接充電芯片LTC4002和對應電路，就實現(xiàn)了整個電源管理系統(tǒng)。設(shè)計中電池選用了7．4V 可充電鋰電池組。外接電源適配器是8．4V，1A輸出的AC-DC電源。當電池電量不夠時外接電源通過LTC4002對電池充電并給負載供電。

2．2 信號采集

待測的光信號被光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號本設(shè)計中探測器選用了武漢顯升光器件公司的YSPD728 C6，可探測800～1700nm波長，最大強度+30dBm的光信號，具有較高響心度(0．85A／W)及低暗電流(1nA)的特性。
探測器轉(zhuǎn)換出來的電流信號很小，一般是在uA甚至nA級，所以需要對其進行放大并轉(zhuǎn)換為能夠匹配后級A／D轉(zhuǎn)換器的電壓信號。AD8304是AD公司專為測量光功率而設(shè)計的對數(shù)放大器，能夠在-40℃～+85℃范同內(nèi)工作，具有160dB(100pA～10mA)的寬動態(tài)測試范圍，1nA～1mA范圍內(nèi)的線性誤差為0．1dB，靜態(tài)電流只有約4．5mA，輸出端有10MHz帶寬的低通濾波器。使用時電流輸入引腳和光電探測器輸出引腳盡量靠近，以減少噪聲引入。圖3是A08304輸入電流和輸出對數(shù)電壓的關(guān)系圖。

芯片的對數(shù)輸出電壓為：VLOG=VYlog10(IPD／IZ)其中VY為斜率電壓，由圖3可看出VY=0．2volt／decade，IPD是輸入電流，IZ稱為基準電流，是100pA的定值。

AD8304的對數(shù)輸出VLOG和最后的輸出VOUT之間有一級同相運放，可以根據(jù)不同的需要選擇外接電阻得到適合的輸出電壓。需要說明的是VY和IZ也可以選擇不同外接電阻進行調(diào)整。本設(shè)計中對數(shù)輸出電壓在0～1．6V范圍內(nèi)，符合后級A／D轉(zhuǎn)換器的需要，故把同相運放接成電壓跟隨器的形式。
假設(shè)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的電流信號IPD=100nA，經(jīng)過對數(shù)放大器的輸出電壓為
VOUT=VLOG=0.2xlog10(100nA／100pA)=0．6V

2．3 A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)運算處理

經(jīng)過AD8304后，小電流信號變成相對較大的電壓信號，這時就要送入A／D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MSP430系列單片機很突出的一個特點就是片上集成了A／D轉(zhuǎn)換器，使得很多數(shù)據(jù)運算處理都在片上進行，降低了功耗。MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A／D)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部可提供1．5V或2．5V參考電壓，可選擇轉(zhuǎn)換時鐘源，具有8個外部模擬輸入通道。

基于以上配置本設(shè)計把8路電壓信號直接接到單片機A／D轉(zhuǎn)換模塊的8個外部模擬輸入通道，并設(shè)置了按鍵，按照查詢方式動作選擇哪一路模擬信號輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，相當于做了一個多路選擇開關(guān)。這樣不僅省去了外部A／D轉(zhuǎn)換芯片，也省去了多路復用器芯片，降低了系統(tǒng)功耗。

另外，根據(jù)光電探測器對不同波長光信號的響應度不同，系統(tǒng)也設(shè)置了相應功能按鍵通過軟件設(shè)置選擇不同的響應度進行片內(nèi)數(shù)據(jù)處理。

2．4 液晶顯示

為了把8路測試結(jié)果同時顯示出來，本次設(shè)計選用了40x4字符型液晶。經(jīng)過運算處理的信號被放到單片機P4口上送入液晶顯示出來。

系統(tǒng)功耗最大的是液晶的LED背光，設(shè)計中單獨選用了一個LDO轉(zhuǎn)壓芯片AMS1117-5并設(shè)置了開關(guān)，可以在能見度比較高的場合下手動關(guān)掉背光電源，尤其是在電池供電情況下，這樣可以在電池供電情況下延長功率計的使用時間。

3 結(jié)束語

本設(shè)計基于單片機MSP430F2272，利用其片上集成具有8個外部模擬輸入的A／D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了多路光信號功率的測量，同時在此基礎(chǔ)上利用MSP430系列單片機的超低功耗特性選用LTC4412和LTC4002芯片及相應電路設(shè)計了電源管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)可靈活選擇供電方式。對數(shù)放大器AD8304的選用直接把微小電流信號轉(zhuǎn)化為后級可用的電壓信號，也是本設(shè)計的不同之處。經(jīng)過測試，不開液晶背光的情況下系統(tǒng)總的電流消耗不超過50mA，功耗較低，可以滿足一定精度的測試需求。