基于AD7705的在線激光功率檢測系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    利用單片機(jī)和AD7705模／數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合光電檢測技術(shù)而設(shè)計了一種在線激光功率檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是原理簡單，造價低廉，智能操作，方便實用，誤差小，精度高。它采用單片機(jī)自動采集光功率信號，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于與單片機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)了檢測過程的智能化，因而操作方便。

l 系統(tǒng)組成及原理
    設(shè)計要求測量波長范圍寬(O．5～10μm)，功能穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，這對傳感器的選擇，A／D轉(zhuǎn)換器的精度、速度以及單片機(jī)都提出了嚴(yán)格的要求。經(jīng)方案論證，設(shè)計的系統(tǒng)原理見圖1所示。

該系統(tǒng)由光電傳感器電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路以及顯示電路4部分組成。
1．1 信號采集電路設(shè)計
    系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)是光電傳感器電路。對于傳感器的選擇，應(yīng)考慮探測波長范圍以及功率兩個方面，可選用與待測波長相對應(yīng)的光電傳感器。由于要求的波長范圍為0．5～10μm，功率范圍為0～100 W，所以，一般的光電傳感器無法滿足要求。
這里采用一種“抽樣檢測”的方法，即針對某一特定波長(該設(shè)汁中為1．064 μm)的激光器進(jìn)行測量，設(shè)計出一種通用電路，只要改變傳感器型號即可測量其他波長范圍的激光輸出功率。采用2DU1系列硅光敏二極管作為探測器。光敏二極管在受到光照時，會產(chǎn)生一個與照度成正比的小電流，因此是很好的光電傳感器，且具有良好的線性特性，不僅響應(yīng)速度快，靈敏度較高，而且噪聲低，穩(wěn)定可靠。實驗時光電傳感器接收一部分光功率信號，將其測量結(jié)果與精準(zhǔn)的激光功率計測量結(jié)果進(jìn)行比較，得出比例系數(shù)，進(jìn)而利用軟件編程得到最終結(jié)果。該方法原理簡單，測量方便，造價低廉，方便實用，誤差小，精度高，可大大降低對傳感器的要求。光敏二極管在電路中必須處于反向偏置，如圖2所示。設(shè)計中將光敏二極管反偏接至AD7705的通道1，即接到7腳和8腳上，同時光敏二極管的環(huán)極接+5 V電壓，偏置電阻為6．5 kΩ。

1．2 模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
    傳感器的輸出一般是毫伏級的微弱模擬信號，溫度特性差，易受干擾。傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法是在A／D轉(zhuǎn)換之前增加一級或多級高精度的放大器，這樣不但增加了成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，而且在監(jiān)測中也會出現(xiàn)外部低頻(如工頻)干擾和放大器漂移等問題。該設(shè)計中采用AD7705作為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，它順應(yīng)了集成化、高精度、多功能、自動補(bǔ)償和自動校準(zhǔn)的發(fā)展要求，集放大、濾波和A／D轉(zhuǎn)換單元于一體，只需接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容即可連續(xù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    AD7705利用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)最高可實現(xiàn)16位無誤碼傳輸，能將從傳感器接收到的很微弱的輸入信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。AD7705與89S51單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

 AD7705采用SPI／QSPI兼容的三線串行接口，大大節(jié)省了I／O口。第一種方法是SCLK接AT89S51的P2口中未用的管腳，數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN，DOUT一起接P2口中未用的另一管腳。這種做法的代價是時間開銷較多，不適用于時效性要求較強(qiáng)的系統(tǒng)；本設(shè)計采用第二種方法，即監(jiān)控硬件DRDY引腳的狀態(tài)，以決定數(shù)據(jù)寄存器是否被更新，硬件DRDY引腳的輸出與通信寄存器DRDY位同步，DRDY引腳一旦變成低電平，表明數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，可以讀取。DRDY輸出引腳接至單片機(jī)的INTO可實現(xiàn)中斷或者查詢方式的監(jiān)控。SCLK接AT89S51的同步脈沖輸出端TXD(P3.1)，為傳輸數(shù)據(jù)提供時鐘。AD7705的數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN，DOUT一同接AT89S51的RXD(P3．O)，并接一個10 Ω的上拉電阻。在這種連接方式下，對AD7705數(shù)據(jù)的讀取可按51系列單片機(jī)串行口的工作方式0完成。[!--empirenews.page--]
    需要說明的是在讀寫操作模式下，AT89S51的數(shù)據(jù)輸出為LSB在前，而AD7705希望MSB在前，所以數(shù)據(jù)讀寫之前必須倒序。
1．3 數(shù)據(jù)處理與顯示電路設(shè)計
    數(shù)據(jù)處理控制部分采用AT89S51單片機(jī)，這是系統(tǒng)設(shè)計的核心。
    AT89S51是低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法編程。與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容，性價比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
    顯示部分該設(shè)計采用四位數(shù)碼管，程序控制掃描方式。其中，PO口作為段選；P1.0～Pl.3作為位選。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1 基于Keil Cx51的軟件設(shè)計思想
    程序設(shè)計思想是首先上電／復(fù)位AD7705，配置AT89S51單片機(jī)的串行接口，然后將AD7705的通道1初始化，注意讀寫數(shù)據(jù)之前必須調(diào)用重新排序子程序。查詢DRDY引腳，如果為低電平，則讀通道數(shù)據(jù)寄存器，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓值，再調(diào)顯示子程序，調(diào)延時，做電壓轉(zhuǎn)換為功率值的數(shù)據(jù)處理。返回，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，查詢DRDY，顯示，直到結(jié)束。主程序流程圖如圖4所示。

2．2 AD7705的初始化配置及對寄存器操作子程序
    在使用AD7705之前，首先要對所有寄存器進(jìn)行設(shè)置和初始化。系統(tǒng)需確定AD7705芯片的主要參數(shù)具體設(shè)計：主時鐘取FCLK=2.457 6 MHz，輸入通道選擇單極性，數(shù)據(jù)更新速率為50 Hz。由于AD7705輸入基準(zhǔn)電壓等于+5 V，輸入負(fù)端接地，正端最大輸入幅度+l_3 V，故增益可以選擇4。當(dāng)參數(shù)設(shè)置完畢以后，寫入設(shè)置寄存器位MD1和MDO分別為0和1，完成系統(tǒng)自校準(zhǔn)。在設(shè)置參數(shù)之前，首先對通信寄存器進(jìn)行一次寫操作，以決定下一個是什么樣的寄存器和什么樣的操作內(nèi)容，再進(jìn)行下一步的參數(shù)寫入。與初始化以后，單片機(jī)就可以從模／數(shù)轉(zhuǎn)換器中讀數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)之前必須確定數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)。通過查詢DRDY引腳，如果DRDY引腳處于低電平，則數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，可以讀取。AD7705的初始化配置及對寄存器操作程序流程圖如圖5所示。
    A／D轉(zhuǎn)換器輸出的是16進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為電壓值輸出。
    V=5．0(data-out／65 536．0)
    得到的電壓值還得轉(zhuǎn)化為功率顯示。通過實驗在ND：YAG激光器上測量了不同激勵電流下的系統(tǒng)輸出電壓，并實測了經(jīng)精密激光功率計LOGO檢測到的數(shù)據(jù)，得出兩者之間的線性關(guān)系為P=50V。
    A／D轉(zhuǎn)換器的子程序如下：

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3 系統(tǒng)測試
3．1 測試結(jié)果
    通過將設(shè)計產(chǎn)品與精密激光功率計的實測結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度較高，誤差很小。實測結(jié)果如表1所示。其中，功率值1為LOGO激光功率計所測值；功率值2為所設(shè)計設(shè)備的測量值。

3．2 誤差分析
    在實際應(yīng)用中由于強(qiáng)電磁場，系統(tǒng)中的閃爍信號干擾或者軟件錯誤會造成接口迷失，一旦接口迷失，數(shù)據(jù)也無法從中正常讀出。因此，在系統(tǒng)軟件設(shè)計中應(yīng)當(dāng)定時復(fù)位系統(tǒng)接口。數(shù)據(jù)讀出速率應(yīng)不超過預(yù)設(shè)輸出寄存器的更新速率。由于AD7705的分辨率太高，而要求的噪聲電平又太小，所以必須注意接地和電路布線。

4 結(jié) 語
    通過以上討論，介紹了在線激光功率檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理。它利用AT89S51作為測量控制核心，采用C51作為編程語言，用以控制AD7705芯片的工作過程，使用光敏二極管作為光電傳感器，AD7705內(nèi)置的數(shù)字濾波器可有效抑制工頻干擾，而豐富的校準(zhǔn)功能可消除偏移、增益以及傳感器的漂移誤差。經(jīng)實際測量驗證，性能穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能實現(xiàn)對激光功率的實時檢測。