基于单片机的数字光功率计的设计.docx
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基于单片机的数字光功率计的设计
摘要
光可以被用作一种强大的工具，将给我们一种不同的方式的灵感。
但是，我们如何用光信号转换成电信号来衡量一些电气参数？
这就需要一个数字功率计来实现传输过程中的光信号能量损耗，它可以探测和容易地知道如何光束质量光束像。
今天，单片机在测量和控制技术的应用，传感器让工业生产迅速现代化，但我们是一个来自外国的功率表生产国，外国不仅昂贵，而且还需要大量的配件。
因此，我们必须设计一种以单片机为核心的数字电能表，它可以节省成本，更容易调试，能更好地反映实际值。
我们的目标是把光信号转换成电信号，然后以一个模拟数字转换，通过单片机的串行输出模拟信号的特性。
通过硬件和软件的组合，其中包括硬件设备：
设备芯片选择，放大器，模拟到数字转换电路，控制电路，外围控制电路，电源按钮和其他设计和描述；每个部分包括软件的一个模块写。
关键词：
光电转化，微型计算机，功率计
abstract
Lightcanbeusedasapowerfultoolthatwillgiveusadifferentwayofinspiration.But,howcanweusethelightsignalintotheelectricalsignaltomeasuretheelectricalparameters?
Thisrequiresadigitalpowermetertorealizeopticalsignalenergylossintransmission,itcaneasilydetectandknowhowtobeamqualitylikebeam.Today,SCMapplicationinmeasurementandcontroltechnologyandsensortoallowindustrialproductionrapidlymodernizing,butwearefromaforeignpowerproductioncountryandforeignisnotonlyexpensive,butalsoneedlotsofaccessories.Therefore,wemustdesignasinglechipmicrocomputerasthecoreofthedigitalpowermeter,whichcansavecost,easiertodebug,canbetterreflecttheactualvalue.Ourgoalistoconvertlightintoelectricalsignals,andthenconvertedtoadigitalsimulation,throughtheserialoutputofthemicrocontrolleranalogsignalcharacteristics.Throughacombinationofhardwareandsoftware,includinghardwareequipment:
chipselectequipment,amplifier,analogtodigitalconversioncircuit,controlcircuit,peripheralcontrolcircuitandapowerbuttonandotherdesignanddescription;eachpartincludingsoftwaremodulewritten.
Keyword:
Photoelectricconversion,Singlechipmicrocomputer,Powermeter
绪论
1.1概述
1916年初，爱因斯坦提出了一个概念叫做“受激辐射，一束光被激发出光子，光子打在激发态的原子后会激发一个电子下降到一个低能级，因此辐射出另一个光子。
基于光放大的方式，激光也被认为是光学放大器，由于激光具有普通光所没有的特点：
单色性，相干性，方向性，高亮度，这些特性决定了激光一问世就得到了飞速发展。
在60年代初，加工，医疗器械等方面就已经有激光产业的萌芽，当时只不过只有少量的研制生产，并没有形成气候，1978年改革开放之后，激光产业就在华夏地区确切的成为大家所关注的对象并开始起步，当前像武汉、深圳这样激光技术的研发进步飞快的地方，其水平已跟国际水平一样。
不过，实现通信行业中对光信号能量损耗检测的智能仪表也在不断的创新和开发。
在我国的光学仪器中，可以用来检测一束光在传播过程中的能量损耗等参数的一种智能仪表叫光功率计，但大多数都是来自国外进口，国外的价格高，所需要的配件多，操作过程也繁琐。
现今，随着笔记本电脑，便携式电话，视频会议和因特网的广泛应用，信息革命时代都在我们周围发生。
这种智能化在各种各样的产品中都可以看到，这就是嵌入式信息处理的一次革命，是由于芯片生产在经过近40年的不断演变后为嵌入式智能处理芯片带来无数的并且没有预测到的发展机会。
光被通信行业用来作为一种测量工具，越来越多的客户也更容易接纳这个新鲜事物，我们可以不用国外的功率计而自己设计一款以微型单片计算机为核心的智能仪表，它可以把测试出来的结果进行数据的存储，运算以及设定预置进行终端现场保护等的功能。
时代在进步，科技技术也在进步，当今世界是信息时代，测量仪器跟着信息技术脚步的发展也在不断的发展，对它测量的精确程度的要求也不断提高，不只是这样，还要把传统仪器改变为智能仪器，这样在使用过程中用途比较集中，还容易实现小型化，便携式的结构。
同时它是计算机与电子元器件的结合，具可以实现数据存储，运算，逻辑判断，完成一些不需要人自己手动操作就能完成的事情。
正如你所看到的，单片机的应用有一个不断扩大的过程，今天，任何一个可以上电的成品都可能采用了一个单片机。
跟传统的光功率计相比较，当前使用单片机设计的功率计软件硬件融合在一起，让单片机完成收集和处理数据，不再需要人去完成。
1.2设计方案的研究目的
之前用的单片机的数字光功率计，全是发出信号光之后，经过一次放大电路，模数转化电路然后直接在显示屏显示数字，调零和波长选择都要手动调。
所以这一次的设计方案可以解决以前的单片机的数字光功率计数据测量的一些毛病。
1.3设计方案的研究内容
该设计方案主要是根据光电转变的特点，然后通过放大，模数转化，MCU控制，从而完成光在转换过程中输出光强度和能量损耗的测量。
下面就从以下六个点介绍：
1）系统工作原理的说明；
2）光电转化；
3）放大电路的设计；
4）模数转化电路的设计；
5）CPU处理；
6）显示屏显示调试。
1.4设计方案的研究意义
现在使用单片机设计的光功率计，它的光参数测量的结果已经精确到1mw。
随着光通讯行业的不断发展，现在的检测仪器精度在国内市场发展需求量越来越大，所以使用的都是进口的。
本次设计采用的以单片机为核心的智能化光功率计，不仅可以对数据进行采集，处理还能按照认为的预先设定来完成操作。
第二章本次设计的光功率计
2.1光功率计
简单来说，光在一段光纤中传播，在传播过程的这段时间内它会做功，这就是光功率计要测量的东西，如果测得的值没有预期的那么多，就说明在传播过程中有损耗；还有一个要测量的就是接收光的时候是否灵敏。
图2-1光功率计的原理图
由上图可以看出，通常一个光功率计是由光电检测器，I/V变换器，运算放大器，滤波器，A/D转换以及计算机这些部分组成。
工作过程：
光背检测到后会产生很弱的电流（这里有个能级跃迁问题），电流经过电流电压转换电路成电压，在这里要说明一点，就是产生的这个电流的大小跟光入射到光敏表面上所产生的光的功率成正比，所以电压信号经过放大再和计算机进行数据处理，就可以显示出对应的光功率的大小了。
2.2该方案中光功率计的工作原理
热学法和光电法是检测光功率的两种方法。
其中热学法测量精度更高但响应速度慢，灵敏度低。
相反，光电法它可以是一个响应快，线性好，灵敏度高，检测范围也很广的方法，而本次设计对灵敏度要求更高，因为光功率一般比较弱，范围为纳瓦级到毫瓦级相对较弱的范围，本次设计方案中提倡用半导体光电灵敏度高的检测方法。
光功率计内部结构原理如图2-2所示。
A/
图2-2光功率计内部原理图
上面已经说过光信号经过光探测器的时候，它在探测器里会发生光的受激辐射，然后光信号会转化成很低的电流，这个低电流与光产生的功率的关系是成正比的，因此检测出电流的变化就能通过电流跟光功率的正比关系得到功率。
第三章硬件部分电路的介绍
3.1光电转换电路的设计
3.1.1光电效应
一些材料在光的照射下，光子把他们内部的电子激发从而产生电流。
如果某些金属物质内的自由电子吸收了一个光子，正好被吸收的这个光子的能量大于或者等于这个金属物质能承受的总能量，那么多余的能量就会逸出去，电子有足够的能量从金属中逃脱，所以就产生了光电子。
可是，如果自由电子吸收光子没有产生足够的能量，那么电子会释放能量，让产生的光电子有足够的能量逃出去，前提是电子的能量没有恢复到释放能量之前，这个光电子就无法逃离。
3.1.2光探测器
光探测器中起作用的就是光电二极管，下面就分别来介绍两种二极管的原理。
在对上面两个二极管做出说明之前，先说一下对探测器的几个要求：
光电转化效率要高，即一束光通过探测器时，能够输出较大的电流，这个输出的光电流和光功率是成正比的。
接收光的灵敏度要高，换句话说就是检测到光信号能很快相应，即使是很微弱的光信号也可以快速相应。
能够检测电压信号稳定，不失真的反映出光信号的特性。
3.1.3PIN光电二极管
PIN型二极管跟PN型二极管从字面意思看值差一个字母，这个字母又有它代表的含义。
它们都是很好的二极管，但是灵敏度却相差很多，原因就在于PIN型多出的这一个字母I。
在P层和I层之间加了一层较厚的I型半导体（本征层），所以，在PIN结内部电场来阻挡载流子的区域就比PN结中内部电场要宽，这个区域就是势垒区，而决定感光灵敏度主要因素就是势垒区。
因此，PN结中势垒区比较薄，所以它的感光灵敏度相对低一些，而PIN结中有I型半导体的缘故，势垒区宽，它的灵敏度自然高一些。
这样，在我们本次设计中因为对探测器的灵敏度的要求较高，所以更明确的可以选择PIN型光电二极管来作为光探测器。
PN结耗尽层是一个很抽象的东西，空间电荷区是一个区域性的载体，它是不存在的，PN结耗尽层这个概念如果不这样定义的话，会有很多麻烦的问题。
如果真的要换一种说法的话，那就可以理解为控件电荷区内部存在电场，载流子被这个电场赶走了，因此在这样的一个区域是没有载流子的，这就是PN结耗尽层。
PN结的耗尽层很薄，光入射到某金属物质上时都被两边的中性区吸收，对这个问题做的改进是：
在PN结P层和N层中间加I层，它可以高效阻挡载流子避免光入射进来被吸收。
I层中光被吸收的系数小的更容易进入到物体内部被吸收，同时放出大量的电子-空穴对，P层和N层都是非常薄的半导体，不能像PN结中那样把入射光都吸收了，耗尽层中几乎全部是I层。
除了上面所说的两种外还有别的类型，可是为了解除掉入射光大量的被半导体中性区所吸取，所以更可靠的是中间有一层可以充当耗尽层的PIN结型光电二极管。
适用于本方案的还有雪崩型光电二极管，虽然它有灵敏度高，光电转换效率强等的有点，但是也有很多造成工作效率的缺点：
需要的工作电压很高，而且它的性能的好坏完全取决于入射光功率的大小，如果入射光功率很大，就会产生增益噪声大，电流容易失真等的问题。
考虑到以上所说的各个方面的问题，这里我们使用PIN型二极管。
3.1.4PIN光电二极管的选择
因材料不同可以分为：
Si，Ge,InGaAs三种。
下表3-1-4（a）是对这三种PIN二极管的比较。
参数
符号
单位
Si
Ge
InGaAs
波长范围
nm
400~1100
800~1650
1100~1700
响应度
R
A/W
0.4~0.6
0.4~0.5
0.75~0.95
暗电流
Id
nA
1~10
50~500
0.5~2.0
上升时间
ns
0.5~1.0
0.1~0.5
0.05~0.5
带宽
B
GHz
0.3~0.7
0.5~3.0
1.0~2.0
偏置电压
VB
V
5
5~10
5
从上表可以看出，PIN-InGaAs二极管的波长适用范围最广，可用于波长较长的系统，性能很稳定，为了提高光接收的灵敏度，往往把它跟场效应管FET的前置放大器放在一起组成接收器件。
3.2放大滤波电路
由于从光功率计探头也就是PIN型光电二极管输出的电流很小，电流信号的长距离传输的抗干扰能力相对于电压信号的要好很多，但是本次设计距离比较短，也要和后置电路与光探测器间的阻抗相互配合，所以有一个I/V电路来把电流转化为电压。
为了检测微弱电信号，放大器要低噪声，低噪声的传感器可以更准确的检测到信号，同时还能增大检测范围和提高灵敏度。
期间还要完成这样的一个过程：
光电检测器中通过的信号都混有噪音信号，其中带有的噪声要处理掉才能检测待测信号，将大部分的噪声过滤掉，那么微弱信号经过放大电路放大的幅值就可以调节为处理器需要的幅值。
而前置放大电路进行预放大，再滤波，最后后置放大电路再一次的放大从而输出幅值适当并且大部分噪声也被过滤掉的信号。
从图中可以看出，光信号经过光电转换器转化为电源信号，电源信号再由前置放大电路转化为电压信号，这就相当于I/V电路把电流转化为电压，总共会放大两次最终输出信号。
3.2.1滤波器的设计
滤波器的在电路中所起到的作用就是让带有一定频率的信号在某个频率范围内通过，而不在这个频率范围内的信号就会被阻止。
所以当干扰信号和有效信号不是同一频率范围时，可以让有用的信号通过滤波器并抑制干扰信号让它衰减了。
滤波器都有一个通带，就是当信号通过滤波器时，让信号衰减的最小的频率段，理想的滤波器是没有信号衰减的。
放大器有输出电压那么它也就有噪声电压，放大器输出信号时所测到的电压和输出噪声电压的比值被叫做信噪比。
噪声信号与信噪比之间呈反比的关系，说明混杂在信号中的噪声越小，此时的滤波效果最好。
带通滤波器让在规定波长范围的波通过而不让其他范围的波通过。
理想的带通滤波器它的通过范围应该是稳定的，因为波通过滤波器又从里面出来这个过程中是不会衰弱的，在通带内有信号衰弱和放大，以外的信号几乎都被衰弱掉了。
根据不同的器件对噪声要求的不同，光电探测器中前置放大器有如下三种类型：
（1）低输入阻抗前置放大器
输入级能选用晶体管共基极电路，变压器耦合，并联负反馈等。
该放大器具有电路结构简单的优点，缺点是灵敏度低，噪声大。
（2）高输入阻抗前置放大器
有高输入阻抗前置放大器的光探测器，提供信号的电流就很低，所以在传播信号的时候只需要有电压信号电路就能正常工作。
这就是为什么场效应管比晶体管好的原因，此方案中可以采用场效应管作为第一级输出电路，优点是噪声低。
（3）阻抗变换型前置放大器
这种电路也叫电流-电压转化型电路，它的优点有很多：
噪声低，频带宽，灵敏度高等，因此这种方案被广泛应用。
根据以上三种前置放大器的比较，本次设计采用第三种阻抗变换型前置放大器。
因为首先接收到光信号的时候要进行一次I/V转换，因此这种放大器比较适用。
3.2.2运算放大电路
电压信号经过滤波器之后就是想要的待测信号，要把电压信号通过仪用放大器放大，仪用放大器跟运算放大器相比较，它设计简单，放大效果也好，还能调节电压信号更好地保护电路。
对放大器中芯片的选取是有要求的，首先，由于被检测的电压信号都比较小，为了避免电压信号过小而检测不到的问题，就要求输入信号的偏置电流低；其次是低噪声，检测到的信号中不能混有较高的噪声电流；再次是能有高输入阻抗，有电压信号整个电路就能正常工作而不需消耗电流；最后就考虑到价格。
综合以上条件，我们采用的放大器中的芯片是TL074.
3.3A/D转化电路
CS5550是一种有两个可以让信号通过的通路的A/D转换器。
之所以说它有两个通路可以通过信号是因为它内部有两个A/D转换器，有两个放大器。
CS5550的串行接口可以连接到除单片机以外的其他设备，四条控制线分别为：
CS引脚片选信号、SDI引脚作为数据输入、SDO引脚作为数据输出、SCLK引脚串行时钟；当CS为低电平时，端口就是SPI的总线端口，作为串行数据输出的SDO的作用就是输出A/D转换之后的信号。
在片选信号高电平时，SDO端口就是高阻状态，而串行时钟SCLK的作用就是控制串行端口数据的出入。
除此之外，CS5550有一个引脚是中断输出INT，给它配备屏蔽寄存器就可以设置中断，而且可以通过软件来改变中断高、低电平或上升、下降沿有效。
CS5550A/D转换器单片机连接就完成A/D转换，一般的，单片机SPI接口有三个寄存器。
其中，SPCB控制寄存器的作用是设置中断、输出顺序、主/从形式和串行时钟的特性；状态寄存器只是用来设置CPU的状态以及指令执行前后的状态。
当SPI发送数据完之后，状态寄存器中断标志位就会置"1”。
否
是
流程图中得知，只需要把命令字节写进SPSR状态存储器就会发送命令给CS5550了；然后只需在数据寄存器中读取信息即可。
这里有一个问题需要注意：
向数据存储器SPDR写入程序之前要先确认状态存储器SPSR的中断标志位SPIF是否为置"1”状态，如果不是，也有可能被发送的数据将被新写入的数据销毁。
3.4单片机控制电路
因为单片机有功能强大，体积也小，功耗低，成本小，使用方便可靠等的优点而被广泛应用到监控技术行业中使得工业发展更加现代化。
C8051系列单片机为核心的微处理器的应用中，内核有五个16位计数/定时器，两个可以让信号同时两个方向传播的全双工信号通道功能的寄存器地址空间。
以下是本设计方案中涉及到的单片机的几个重要特性：
（1）运行速度快，与8051兼容的CIP-51的内核；
（2）系统调试接口有完全非侵入性的特点；
（3）有12位真正的模拟多路开关；
（4）具有数据更新方式可编程的特点；
（5）5个16位定时器都能通用；
该微控制器芯片引脚功能都允许在5V的工作电压下完成。
3.4.1复位电路的设计
所有的单片机在进行有序执行应用程序之前都会通过一次复位。
单片机复位电路有多种，但其结构不是很复杂。
下图是最基本的RC复位电路是用来说明以下复位电路的设计。
该电路中有一个复位开关，电容C2可以避免电路中的高频率谐波的干扰，51单片机的复位可以通过外加周期完成。
可是，通过实际操作发现R2的值如果太小，就会导致RST复位信号的执行能力变差而不能完成复位功能。
该电路存在的问题还有电压不足，并且经常调整RC值来改变延时就会导致上面所说的执行能力变差的情况，所以在设计复位电路的时候，既要注意执行复位能力是否稳定，还要考虑复位电路的抗干扰能力是否良好。
因为上面的电路存在电压不足的问题，因此我们在设计的电路中可以加入续流二极管来解决电压不足的问题，这一改善对复位电路的性能起到了重要的作用。
下图3-4-1（b）所示，是在基本复位电路中加入续流二极管做了改善的RC复位电路。
图3-4-1（b）加入续流二极管后的复位电路
3-4-2晶振电路的设计
每一个单片机体系里的晶振对整个电路都有很大的功效，晶振的全称叫做晶体振荡器，它跟单片机内部电路运算所需要的时钟频率一起工作，时钟频率用来表示单片机运算速度。
时钟频率越大，单片机运算速度更快，单片机的所有指令都是晶体整荡器提供时钟频率的基础上执行的。
图3-4-2外部震荡器设计电路
3.4.3单片机串口通讯总线——SMBUS
串口总线是单片机运行体系中一条有强大功能的总线，数据的接收和发送都是经过这条线进行的，它的使用就能避免用独立的总制线。
通过查阅资料，SMBUS双向串行总线和串口传输数据可以通过接口自动控制。
一般，一个控制主线上允许有多个主器件，SMBUS总线主设备：
串行数据控制SDA、串行时钟SLC控制、同步逻辑和启停控制电路。
此外还有及其相关的三个特殊功能寄存器分别为：
控制寄存器、数据寄存器、配置寄存器。
配置寄存器是一个16位虚构的寄存器，可以用配置指令让配置寄存器的值变化；数据寄存器就是用来发送和传输数据。
SMBUS工作电压限度是在3~5V之间，各个器件的工作电压也是不一样的。
串行时钟线和串行数据线是双向的，为了保证两根线是高电平，必须将他们通过一个电路连接到电源电压上，具体的做法是总线器件上的串行数据控制和串行时钟控制都要漏极开路或者集电极开路即高阻状态，要产生高电平，就要在电路中加入一个上拉电阻，电阻接5V电源，另一端连接芯片引脚。
下图3-4-3就是SMBUS总线的设置图。
图3-4-3典型SMBUS总线配置
3.4.4电源设计部分
在电路中220V交流电最终转换为15V直流电，当直流电压作输入是不稳定的，所以要有个一个电路把不受控制的直流电压转换为受控制的电压，这个电路就是——DC-DC变换电路。
它把15V直流电压转换为电路所需要的12V直流电压，再通过一次DC-DC变换器进行线性调节得到5V直流电给单片机供电。
整个电源电路的作用就是将直流电转换为交流电给各部分供电使用。
本设计方案可以采用桥式整流电路。
到这里关于单片机的各个电路设计已经设计完，以下是对外围电路的设计。
第四章外围电路的设计
4.1I²C总线设计
能把单片机跟外围电路连接到一起的就是这节所说的I²C总线。
它可以随时监控电路内的多个参数，具备接口的线少，控制方式比较简单，器件小等的优点。
I²C总线有两根线，一根线是串行数据线，另外一根是串行时钟线，当总线空闲的时候，这两根线都是高电平状态，不需要加任何的电路就能实现对个器件在总线上相互连接。
4.1.1I²C总线接口的电路设计
本次设计方案中的主器件是微控制器，I²C总线上的从器件都会有它们特定的地址。
主器件在发送通讯数据之前，都会先发送从器件的地址以确认从器件是否要接收，如果从器件做出应答，得到主器件的确认，才会发送有效数据到从器件；不是这个器件的地址，数据线上的任何数据都不会得到响应，那么你可以选择数据通信传输的实现。
4.1.2I²C总线的控制时序
数据传输总线上的时序如果符合I²C总线的要求的话，那么I²C总线上传输数据就可以有顺序的进行。
只要时序符合，总线传输数据代码的错误率就会很低，这样单片机执行任务的效率也就高很多了。
下图3-1-2所示是I²C总线通讯时序图。
一般来说，I²C总线的数据传输过程需要经过：
总线数据申请、建立双方通讯路径、数据传输、总线的释放四个步骤来完成。
4.2单片机接口电路设计
因为24系列E²PROM即电气可擦除可编程只读存储器和单片机的接口连接简单，所以本次方案中单片机接口电路的设计就用E²PROM。
下面介绍一下E²PROM的引脚功能。
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