基于AVR單片機控制的通用便攜光功率計設計方案

0 引言

數字光功率計是一種由單片機控制的、可測量光信號強弱的便攜式儀器，是光纖通信干線鋪設、設備維護、科研和生產使用的重要儀器。然而，傳統的光功率計存在測量精度低，測量范圍窄，便攜性差等問題。針對這種情況，開發了一種由AVR單片機控制的通用便攜光功率計，具有量程可自動轉換，測量精度高，通用性強，攜帶方便的特點，非常適合在光信息、光通信領域使用。

1 系統原理

光功率就是光在單位時間內所做的功。該數字光功率計由微處理器、光電探測器、I/V變換器、量程自動轉換、A/D轉換、液晶顯示等部分組成，其系統原理如圖1所示。

微處理器采用AVR系列ATmega16單片機，它是基于增強型AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。在外設方面，它具有一個可編程的UART和獨立于片內振蕩器的看門狗定時器等資源，支持SPI接口，允許ATmega16與其他外設或AVR單片機進行高速的同步數據傳輸。

系統采用硅光電池作為光電探測器，它被設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于實驗室和野外便攜式儀器等的探測器。在該系統中，硅光電池工作于零偏狀態。

自動量程轉換部分通過運算放大器和多路選擇開關CD4051來完成。反饋信號通過CD4051選擇不同的量程，進行自動量程轉換，以輸出合適的電壓信號。

數據采集部分通過16位精度的A/D轉換器AD7705完成將模擬電壓信號轉換成數字信號。數據經AVR單片機ATmega16處理后轉換成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來。

本文設計的數字光功率計采用ATmega16來控制系統的整體工作。以硅光電池作為光電傳感器，使用LM324將信號放大，通過16位精度的A /D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機控制CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程并進行A/D轉換。最后用1602液晶顯示光功率的大小。

2 自動量程轉換

實現高精度的測量。一般通過控制輸入信號的衰減/放大倍數來實現。就光功率計而言，一般輸入信號都比較小，所以其量程切換基本上都是放大倍數的切換。在該系統中，量程自動轉換主要由多通道開關CD4051和集成運放LM324組成。兩者連接圖如圖2所示。

CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，有3個二進制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個二進制信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。

前端采集的數據通過16位精度的A/D轉換器AD7705將模擬信號轉換成數字信號。粗測數據的信號反饋，可使單片機的PB4和PB3管腳控制CD4051選擇4個不同的通道，對應不同方法的倍數，以重新選擇合適的量程，輸出合適的電壓信號進行A/D轉換。

3 數據采集

數據采集采用16 b A/D轉換器件AD7705完成(見圖3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模/數轉換器，適用于測量低頻模擬信號。它的特點是功耗低，精度高，動態范圍廣，可自校準，非常適用于工業控制、科研應用。由于使用SPI接口，占用的引腳少，因此控制起來也很方便。AD7705采集到的電壓信號通過SPI接口和ATmega16進行通訊以傳輸數據。ATmega16作為主機對AD7705進行控制，使用的I/O口資源分別為MOSI，MOSI，SCK，SS和AD7705通信。模擬電壓轉換成數字信號，經ATm-ega16處理后換算成光功率數據，在1602液晶屏幕上顯示出來。

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4 軟件結構

ATmega16對整個系統進行控制。通過PB4，PB3狀態控制CD4051的通道選擇;通過SPI口操作AD7705并獲得數據;通過寫命令和寫數據控制1602液晶的顯示。整個系統的軟件流程如圖4所示。

該系統的量程設置有4檔，相鄰的最大電壓值是2倍關系。首先設置最大量程檔，也就是先選擇第一大檔進行數據采樣，如果當采樣值小于128時，就選擇第四檔進一步進行放大、轉換;當采樣值大于128而小于256，就選擇第三檔進行放大、轉換;當采樣值大于256而小于512時，就選擇第二檔進行放大、轉換;當采樣值大于512而小于與1 024時，就選擇第一檔進行放大，轉換。

5 數據分析

通過實驗室標準光功率計對該光功率計進行了校準，為了減小誤差，修正系統的線性度，在數據處理上采用了分段函數法。主要分為3段，在不同的階段采用不同的修正系數。表1是系統數據對照表。表中的標指標準光功率計，測指測試光功率計，單位為mW。由數據可看出，誤差較小，可滿足實驗室的一般實驗需求。

6 結語

提出了一種基于ATmega16的數字光功率計系統實現方案，采用的模/數轉換元件是AD公司的AD7705模數轉換器。文中詳細介紹了自動量程轉換和數據采集系統的功能及具體實現。該光功率計已經用于本專業的光電實驗教學，作為輔助測量儀器，效果良好。