基于MSP430F的多路光功率計(jì)設(shè)計(jì)

光通信中，需要對(duì)光纖中的載體光信號(hào)強(qiáng)刺進(jìn)行準(zhǔn)確測量，而光功率計(jì)就是基于此設(shè)計(jì)的能檢測出光纖信號(hào)源功率的儀表，是光纖通信工程實(shí)際應(yīng)用和各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)不可缺少的測量儀器。

光功率計(jì)的核心運(yùn)算和控制器件通常選用5V供電的C51系列單片機(jī)，系統(tǒng)功耗相對(duì)來說較高C51系列單片機(jī)本身沒有集成A／D轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)采集后的A／D轉(zhuǎn)換需要外接芯片，不僅占用單片機(jī)的I／O端口，而且增加功耗，對(duì)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(jì)基本都是單路測量，需要對(duì)多個(gè)光信號(hào)測量時(shí)只能不斷切換，比較繁瑣且容易損壞器件接頭。

本設(shè)計(jì)采用MSP430F2272單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多路光功率的測量。MSP430系列單片機(jī)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(hào)處里器(Mixed Signal Processor)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、集成度高、開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很高的性價(jià)。MSP430F 2272的供電電壓只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz時(shí)的電流只有270μA。系統(tǒng)內(nèi)部可提供或外接高達(dá)16MHz的時(shí)鐘信號(hào)，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(gè)捕獲比較奇存器的16位定時(shí)器TimerA、TimerB，4個(gè)8位并行復(fù)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(jì)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(jì)算光功率的大小。這種光功率計(jì)光譜響應(yīng)曲線平坦、準(zhǔn)確度高，但是成本高、響應(yīng)時(shí)間長，一般被用來作為標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)。另一種辦法是半導(dǎo)體光電檢測方式，利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來計(jì)算光功率的大小。一般通用的光功率計(jì)郁采用第二種方法選用PIN光電探測器通過光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光功率的測量。
本設(shè)計(jì)把被測的光信號(hào)通過光電探測器(PIN)的半導(dǎo)體PN結(jié)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換并放大后的電壓信號(hào)被送入單片機(jī)片上集成的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并在單片機(jī)內(nèi)運(yùn)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(jī)的超低功耗特性使得整個(gè)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(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)主要由電源管理模塊，信號(hào)采集模塊，A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)運(yùn)算處理模塊，液晶顯示模塊構(gòu)成。軟件在IAR Embedded Work-bench平臺(tái)上設(shè)計(jì)調(diào)試。

2．1 電源管理

系統(tǒng)是基于低功耗的，所以對(duì)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(jì)了電源管理系統(tǒng)，如圖2所示。

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

當(dāng)外接電源接通后，肖特基二極管導(dǎo)通，負(fù)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(fù)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?yàn)槠湔驅(qū)▔航?0．7V)大于肖特基二極管(0．4V)，會(huì)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(duì)應(yīng)電路，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電源管理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(dāng)電池電量不夠時(shí)外接電源通過LTC4002對(duì)電池充電并給負(fù)載供電。

2．2 信號(hào)采集

待測的光信號(hào)被光電探測器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)本設(shè)計(jì)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(qiáng)度+30dBm的光信號(hào)，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(hào)很小，一般是在uA甚至nA級(jí)，所以需要對(duì)其進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為能夠匹配后級(jí)A／D轉(zhuǎn)換器的電壓信號(hào)。AD8304是AD公司專為測量光功率而設(shè)計(jì)的對(duì)數(shù)放大器，能夠在-40℃～+85℃范同內(nèi)工作，具有160dB(100pA～10mA)的寬動(dòng)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(shí)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(duì)數(shù)電壓的關(guān)系圖。

芯片的對(duì)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(zhǔn)電流，是100pA的定值。

AD8304的對(duì)數(shù)輸出VLOG和最后的輸出VOUT之間有一級(jí)同相運(yùn)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(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)輸出電壓在0～1．6V范圍內(nèi)，符合后級(jí)A／D轉(zhuǎn)換器的需要，故把同相運(yùn)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(hào)IPD=100nA，經(jīng)過對(duì)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(yùn)算處理

經(jīng)過AD8304后，小電流信號(hào)變成相對(duì)較大的電壓信號(hào)，這時(shí)就要送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。MSP430系列單片機(jī)很突出的一個(gè)特點(diǎn)就是片上集成了A／D轉(zhuǎn)換器，使得很多數(shù)據(jù)運(yùn)算處理都在片上進(jìn)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(shí)鐘源，具有8個(gè)外部模擬輸入通道。

基于以上配置本設(shè)計(jì)把8路電壓信號(hào)直接接到單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換模塊的8個(gè)外部模擬輸入通道，并設(shè)置了按鍵，按照查詢方式動(dòng)作選擇哪一路模擬信號(hào)輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，相當(dāng)于做了一個(gè)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(fù)用器芯片，降低了系統(tǒng)功耗。

另外，根據(jù)光電探測器對(duì)不同波長光信號(hào)的響應(yīng)度不同，系統(tǒng)也設(shè)置了相應(yīng)功能按鍵通過軟件設(shè)置選擇不同的響應(yīng)度進(jìn)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(shí)顯示出來，本次設(shè)計(jì)選用了40x4字符型液晶。經(jīng)過運(yùn)算處理的信號(hào)被放到單片機(jī)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(jì)中單獨(dú)選用了一個(gè)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(dòng)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(jì)的使用時(shí)間。

3 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)MSP430F2272，利用其片上集成具有8個(gè)外部模擬輸入的A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了多路光信號(hào)功率的測量，同時(shí)在此基礎(chǔ)上利用MSP430系列單片機(jī)的超低功耗特性選用LTC4412和LTC4002芯片及相應(yīng)電路設(shè)計(jì)了電源管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)可靈活選擇供電方式。對(duì)數(shù)放大器AD8304的選用直接把微小電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為后級(jí)可用的電壓信號(hào)，也是本設(shè)計(jì)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。