基于STC89C516 單片機(jī)的數(shù)字光功率計(jì)設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]0 引言單片機(jī)應(yīng)用于傳感器控制技術(shù)使得工業(yè)生產(chǎn)更加現(xiàn)代化，而在通信過程中，對(duì)傳感器的控制則尤為重要。對(duì)通信質(zhì)量的檢測和判斷需要對(duì)數(shù)據(jù)更好的處理，數(shù)字光功率計(jì)是一種由單片機(jī)控制的、可測量光信號(hào)強(qiáng)弱的便攜式
0 引言
單片機(jī)應(yīng)用于傳感器控制技術(shù)使得工業(yè)生產(chǎn)更加現(xiàn)代化，而在通信過程中，對(duì)傳感器的控制則尤為重要。對(duì)通信質(zhì)量的檢測和判斷需要對(duì)數(shù)據(jù)更好的處理，數(shù)字光功率計(jì)是一種由單片機(jī)控制的、可測量光信號(hào)強(qiáng)弱的便攜式儀器，是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、光纖通信工程中一種不可缺少的便攜式測量儀器。光功率計(jì)因能檢測出光纖信號(hào)源的功率，而被廣泛運(yùn)用于實(shí)際光纖檢測實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)，光功率計(jì)還可以判斷光纖信號(hào)傳輸過程中的損耗與衰減。本文根據(jù) InGaAs-PIN 高響應(yīng)度的光電響應(yīng)特性。經(jīng)過 STC 89C 516RD+ 芯片處理，同時(shí)結(jié)合 LCD1602 顯示技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新型數(shù)字光功率計(jì)。
1 系統(tǒng)工作原理
數(shù)字光功率計(jì)的基本工作原理如圖 1 所示，它首先把傳輸過來的光信號(hào)投射在 InGaAs-PIN 光探測器的光敏面上以將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，再?jīng)過 I ／ V 變換電路和放大電路得到電壓信號(hào)。然后把這個(gè)信號(hào)送到低通濾波器進(jìn)行濾波及響應(yīng)度補(bǔ)償放大，以得到與功率值相對(duì)應(yīng)的直流電壓，之后再將該電壓經(jīng) A ／ D 轉(zhuǎn)換，以得到表示功率大小的數(shù)字量，最后通過 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷后，將數(shù)據(jù)送入 LCD 顯示器進(jìn)行功率顯示或指示。
2 光電轉(zhuǎn)換
InGaAs-PIN 是一種低噪聲、高響應(yīng)度的光電檢測器，具有較高的測量靈敏度。當(dāng) InGaA8-PIN 管接收光輸入后，由于價(jià)帶中電子吸收了光子而躍遷到導(dǎo)帶，因而可產(chǎn)生一個(gè)電子 - 空穴對(duì)。該電子 - 空穴對(duì)若在耗盡區(qū)產(chǎn)生，那么，在自建電場 (PI 管一般采用零偏壓 ) 的作用下，電子將向 N 區(qū)漂移，空穴向 P 區(qū)漂移，從而產(chǎn)生與輸入光功率成正比的電流信號(hào)。 InGaAs-PIN 的光響應(yīng)度可達(dá) 0.8 ，波長范圍為 1.3 ～ 1.6 μ m 。事實(shí)上，基于暗電流、上升時(shí)間、帶寬、偏置電壓等綜合考慮， InGaAs-PIN 無疑是一種很好的選擇。因?yàn)樵趯?shí)際設(shè)計(jì)中，往往都需要測試光電二極管的響應(yīng)度，只有測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，才能得到每個(gè)光電二極管響的應(yīng)度參數(shù)，從而減小數(shù)據(jù)誤差。
3 放大電路的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中的前置放大器應(yīng)是低噪聲放大器，它的噪聲對(duì)光功率計(jì)的精度影響很大。前放的噪聲取決于放大器的類型，目前有三種類型的前放可供選擇。主放大器一般是多級(jí)放大器，其作用是提供足夠的增益，一般都通過它實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制 (AGC) 。圖 2 是利用 CD4051 來作為一個(gè)單刀八擲開關(guān)對(duì)放大電路進(jìn)行放大設(shè)置的電路圖。該系統(tǒng)通過軟件控制使小信號(hào)得到較大地放大，而使大信號(hào)得到較小的放大，從而滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓要求。主放大器和 AGC 可決定光功率計(jì)的測試范圍。從而通過對(duì)電壓的處理來實(shí)現(xiàn)功率的測量。電流經(jīng)過運(yùn)放以后可轉(zhuǎn)變成電壓，其信號(hào)關(guān)系為： V=RI 。最后通過 ADC0809 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理。
4 單片機(jī)控制系統(tǒng)
STC 89C 51RC ／ RD+ 系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾／高速／低功耗單片機(jī)，指令代碼完全兼容于傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)，它有 12 時(shí)鐘／機(jī)器周期和 6 時(shí)鐘／機(jī)器周期可供任意選擇， STC 89C 51RC ／ RD+ 的最新 D 版本芯片內(nèi)部集成有 MAX810 專用復(fù)位電路和通用 I ／ O 口 (32 ／ 36 個(gè) ) ，復(fù)位后的 P1 ／ P2 ／ P3 ／ P4 是準(zhǔn)雙向口／弱上拉 ( 普通 8051 傳統(tǒng) I ／ O 口 ) ， P0 口是開漏輸出，其作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，而作為 I ／ O 口用時(shí)，則需加上拉電阻。由于其內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 (D 版本才有 ) ，因此，外部晶體在 20 MHz 以下時(shí)，可省去外部復(fù)位電路。該單片機(jī)共有 3 個(gè) 16 位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器 0 還可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位定時(shí)器使用。其單片機(jī)電路如圖 3 所示。
功能鍵是人機(jī)交互式處理系統(tǒng)中不可缺少的一部分，此設(shè)計(jì)采用了電源開關(guān)控制鍵、波長選擇控制鍵、功率顯示控制鍵、功率分貝顯示鍵等四個(gè)鍵。
其中，電源開關(guān)鍵的功能是在開通時(shí)提供 +5V 直流電壓，同時(shí)給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位操作；
波長選擇鍵 ( 按鍵 1) 的功能是進(jìn)行 1310 nm 與 1550 nm 的波段選擇。默認(rèn)為 1310 nm ，按一下該鍵，可進(jìn)行兩波段切換；
功率顯示控制鍵 ( 按鍵 2) 的作用是進(jìn)行顯示屏到功率顯示的切換；
功率分貝顯示鍵 ( 按鍵 3) 的作用是在顯示屏到分貝形式顯示功率之間進(jìn)行切換。
5 調(diào)試設(shè)計(jì)
產(chǎn)品調(diào)試直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。軟件調(diào)試需要用到 uVision 軟件， Keil C51 是美國 KeilSoftware 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比， C 語言在功能、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性等方面具有明顯的優(yōu)勢，而且易學(xué)易用。此外， Keil C51 軟件還提供有豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，且全 Windows 界面。 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼都很緊湊，很容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢。 uVision 在編譯過程中，能很好的檢測出程序的錯(cuò)誤與警告，并能直觀提示是哪一行程序出了問題，故可方便地對(duì)程序進(jìn)行檢測與驗(yàn)證。 uVision 采用 BL51 作連接器，因?yàn)?BL51 兼容 L51 ，所以，一切能在 Dos 下工作的 project 都可以到 uVision 中進(jìn)行連接調(diào)試。 uVision 采用 dScope for windows 作調(diào)試器，該調(diào)試器支持 MON51 及系統(tǒng)模擬兩種方式，而且功能較 for DOS 要強(qiáng)大好用，調(diào)試功能也很強(qiáng)大。
在系統(tǒng)硬件調(diào)試中，可利用 51 系列仿真器 F51-64K 進(jìn)行硬件仿真， uVision 也對(duì) 51 系列仿真器進(jìn)行了說明與介紹。同時(shí)， uVision 還可與 F51-64K 進(jìn)行聯(lián)合仿真，它可以根據(jù)仿真步驟進(jìn)行實(shí)際操作，并利用參考光功率計(jì)進(jìn)行調(diào)試，以便此設(shè)計(jì)程序在語法沒有錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上能夠正確測量光纖功率。表 1 所列是 1550 nm 時(shí)的測量結(jié)果。該測量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本相同，光電流和功率的關(guān)系與設(shè)計(jì)初期所測量的數(shù)據(jù)相符。
結(jié)束語
光通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及光纜與光纖的大量應(yīng)用，促使了智能化測試儀器在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和工程應(yīng)用中的飛速發(fā)展。本文從基礎(chǔ)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)人手，通過微處理器對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)需要進(jìn)行判斷，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試運(yùn)行，給出了這種數(shù)字光功率計(jì)的設(shè)計(jì)方法。該光功率計(jì)具有成本低、維護(hù)簡單、誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可滿足高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和光通信施工部門的施工檢測與維護(hù)需求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景和參考價(jià)值。
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