基于ATmega16的數(shù)字光功率計(jì)設(shè)計(jì)

0 引言
    數(shù)字光功率計(jì)是一種由單片機(jī)控制的、可測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)弱的便攜式儀器，是光纖通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護(hù)、科研和生產(chǎn)使用的重要儀器。然而，傳統(tǒng)的光功率計(jì)存在測(cè)量精度低，測(cè)量范圍窄，便攜性差等問題。針對(duì)這種情況，開發(fā)了一種由AVR單片機(jī)控制的通用便攜光功率計(jì)，具有量程可自動(dòng)轉(zhuǎn)換，測(cè)量精度高，通用性強(qiáng)，攜帶方便的特點(diǎn)，非常適合在光信息、光通信領(lǐng)域使用。

1 系統(tǒng)原理
    光功率就是光在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。該數(shù)字光功率計(jì)由微處理器、光電探測(cè)器、I／V變換器、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換、液晶顯示等部分組成，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

    微處理器采用AVR系列ATmega16單片機(jī)，它是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。在外設(shè)方面，它具有一個(gè)可編程的UART和獨(dú)立于片內(nèi)振蕩器的看門狗定時(shí)器等資源，支持SPI接口，允許ATmega16與其他外設(shè)或AVR單片機(jī)進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。
    系統(tǒng)采用硅光電池作為光電探測(cè)器，它被設(shè)計(jì)用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測(cè)器和光電池，被廣泛用于實(shí)驗(yàn)室和野外便攜式儀器等的探測(cè)器。在該系統(tǒng)中，硅光電池工作于零偏狀態(tài)。
    自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換部分通過運(yùn)算放大器和多路選擇開關(guān)CD4051來完成。反饋信號(hào)通過CD4051選擇不同的量程，進(jìn)行自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換，以輸出合適的電壓信號(hào)。
    數(shù)據(jù)采集部分通過16位精度的A／D轉(zhuǎn)換器AD7705完成將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)經(jīng)AVR單片機(jī)ATmega16處理后轉(zhuǎn)換成光功率數(shù)據(jù)，在1602液晶屏幕上顯示出來。
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)字光功率計(jì)采用ATmega16來控制系統(tǒng)的整體工作。以硅光電池作為光電傳感器，使用LM324將信號(hào)放大，通過16位精度的A ／D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。粗測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)反饋，可使單片機(jī)控制CD4051選擇不同的量程，以重新選擇量程并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。最后用1602液晶顯示光功率的大小。

2 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換
    實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。一般通過控制輸入信號(hào)的衰減／放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)。就光功率計(jì)而言，一般輸入信號(hào)都比較小，所以其量程切換基本上都是放大倍數(shù)的切換。在該系統(tǒng)中，量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換主要由多通道開關(guān)CD4051和集成運(yùn)放LM324組成。兩者連接圖如圖2所示。

    CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個(gè)二進(jìn)制信號(hào)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(shù)據(jù)通過16位精度的A／D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。粗測(cè)數(shù)據(jù)的信號(hào)反饋，可使單片機(jī)的PB4和PB3管腳控制CD4051選擇4個(gè)不同的通道，對(duì)應(yīng)不同方法的倍數(shù)，以重新選擇合適的量程，輸出合適的電壓信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

3 數(shù)據(jù)采集
    數(shù)據(jù)采集采用16 b A／D轉(zhuǎn)換器件AD7705完成(見圖3)。AD7705是AD公司推出的低功耗16位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，適用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)。它的特點(diǎn)是功耗低，精度高，動(dòng)態(tài)范圍廣，可自校準(zhǔn)，非常適用于工業(yè)控制、科研應(yīng)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(hào)通過SPI接口和ATmega16進(jìn)行通訊以傳輸數(shù)據(jù)。ATmega16作為主機(jī)對(duì)AD7705進(jìn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)ATm-ega16處理后換算成光功率數(shù)據(jù)，在1602液晶屏幕上顯示出來。

4 軟件結(jié)構(gòu)
    ATmega16對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過PB4，PB3狀態(tài)控制CD4051的通道選擇；通過SPI口操作AD7705并獲得數(shù)據(jù)；通過寫命令和寫數(shù)據(jù)控制1602液晶的顯示。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。
    該系統(tǒng)的量程設(shè)置有4檔，相鄰的最大電壓值是2倍關(guān)系。首先設(shè)置最大量程檔，也就是先選擇第一大檔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，如果當(dāng)采樣值小于128時(shí)，就選擇第四檔進(jìn)一步進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換；當(dāng)采樣值大于128而小于256，就選擇第三檔進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換；當(dāng)采樣值大于256而小于512時(shí)，就選擇第二檔進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換；當(dāng)采樣值大于512而小于與1 024時(shí)，就選擇第一檔進(jìn)行放大，轉(zhuǎn)換。

5 數(shù)據(jù)分析
    通過實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)對(duì)該光功率計(jì)進(jìn)行了校準(zhǔn)，為了減小誤差，修正系統(tǒng)的線性度，在數(shù)據(jù)處理上采用了分段函數(shù)法。主要分為3段，在不同的階段采用不同的修正系數(shù)。表1是系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)照表。表中的標(biāo)指標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，測(cè)指測(cè)試光功率計(jì)，單位為mW。由數(shù)據(jù)可看出，誤差較小，可滿足實(shí)驗(yàn)室的一般實(shí)驗(yàn)需求。

6 結(jié)語
    提出了一種基于ATmega16的數(shù)字光功率計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，采用的模／數(shù)轉(zhuǎn)換元件是AD公司的AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器。文中詳細(xì)介紹了自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能及具體實(shí)現(xiàn)。該光功率計(jì)已經(jīng)用于本專業(yè)的光電實(shí)驗(yàn)教學(xué)，作為輔助測(cè)量?jī)x器，效果良好。