基于KL46主控制器的光萬(wàn)用表設計

摘要：針對國內市場(chǎng)上的光萬(wàn)用表存在測量不夠精確或者功耗過(guò)高的問(wèn)題，設計了一款手持式光萬(wàn)用表，給出了主要模塊的硬件原理圖、系統軟件流程圖及光功率計校準方法，該儀表以超低功耗微處理器KL46為控制核心，集成光功率計、紅光光源和1310 nm單波長(cháng)激光光源功能，各個(gè)功能可以單獨使用，也可以配合使用，為廣大工程測試人員以及技術(shù)人員提供了更為方便和更低成本的選擇。測試結果表明，其光功率計不確定度小、功耗極低、性能穩定，其紅外光源和1310 nm單波長(cháng)激光光源穩定可靠，具有很高的使用價(jià)值。

引言

數字化智能化測控儀表是近年來(lái)工業(yè)過(guò)程應用儀表方面的主要發(fā)展趨勢。微電子技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)過(guò)程對測控方面要求的加強，使智能化測控儀表的應用更廣、成本更低。單片機具有成本低、可靠性高、應用靈活的特點(diǎn)。由各具體行業(yè)的業(yè)內人士使用單片機來(lái)開(kāi)發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路，手持式光功率計和光源是電信工程與維護、光通信研究與教學(xué)中十分常用的設備，并經(jīng)常組合使用。將光功率計和穩定光源組合在一起稱(chēng)為“光萬(wàn)用表”，它常用來(lái)測量光纖鏈路的光功率損耗。

Kinetis L系列MCU基于高能效的ARM Cortex-M0+處理器，通過(guò)精細的設計、完整系列的解決方案將ARM Cortex-M0+處理器的低功耗特性提高到新水平，提供了卓越的靈活性與擴展性。因此，采用KL462256VLH4(以下簡(jiǎn)稱(chēng)KL46)作為主控器，利用其自帶的16位ADC，再加上外圍電路，實(shí)現了光功率計、紅光光源和單波長(cháng)激光光源功能。

1 工作原理

光萬(wàn)用表系統是由光功率計、紅光光源和單波長(cháng)激光光源3個(gè)部分組成，其工作原理如圖1所示。

光功率計部分將待測光信號經(jīng)光電轉換模塊轉換為電流信號，再經(jīng)過(guò)I/V變換和信號調理電路后轉換為電壓信號，之后用KL46的ADC進(jìn)行模/數轉換，運算處理后得到光功率值，顯示到LCD。

紅光光源和單波長(cháng)激光光源由KL46直接控制發(fā)出紅光和1310 mm激光。

2 硬件設計

2.1 光電探測器

光電探測器是光電轉換的關(guān)鍵器件，用于將光信號轉換為電流信號，常用的有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD具有很高的內部倍增因子，但是噪聲性能較差、偏置電壓較高、溫度穩定性差、結構復雜且價(jià)格高。而PIN光電二極管具有高響應度、低暗電流、寬動(dòng)態(tài)范圍、高線(xiàn)性度、重復性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，完全滿(mǎn)足光功率設計的要求。因此設計中采用重慶浩鐸光電科技有限公司InGaAs PIN，該器件能響應850～1650 nm波長(cháng)，暗電流為0.5 nA，響應度是0.85 A/W，動(dòng)態(tài)范圍為-60～+10 dBm。

2.2 I/V轉換及量程切換電路

光纖中光信號通常很弱，從nW級到mW級。這就要求儀表必須有多個(gè)量程并且能夠根據光信號大小范圍自動(dòng)切換量程。由于輸入信號比較小，其量程切換實(shí)際上是放大倍數的切換。MCU根據輸入信號的大小，通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)來(lái)改變反饋電阻阻值實(shí)現信號強度的放大切換，使經(jīng)過(guò)調理后的輸出電壓能夠滿(mǎn)足ADC對輸入的要求。I/V轉換及量程切換電路主要由一個(gè)8路模擬開(kāi)關(guān)MAX4638和一個(gè)低功耗低噪聲單電源雙路運放OPA2344組成，如圖2所示。

根據A0、A1和A2引腳可選擇8個(gè)不同的通道，對應不同的放大倍數，經(jīng)過(guò)放大后的ADC兩端輸入電壓：V=I—optical×R。

2.3 單片機控制系統

飛思卡爾KL462256VLH4是基于A(yíng)RM Cortex—M0+內核32位MCU，擁有256 KB的閃存、32 KB RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模擬比較器。該芯片資源豐富，集成了LCD驅動(dòng)功能和16位ADC，減少了外圍電路配置，降低了成本，整體功耗較低。儀表的顯示采用段碼式LCD屏顯示。由于A(yíng)DC的差分模擬輸入方式具有高寬帶、低功耗、低失真的優(yōu)點(diǎn)，因此設計中AD0采用差分轉換方式來(lái)檢測放大后的電壓信號。另外，AD10用普通的單端模擬輸入方式，間隔一段時(shí)間采集電池電壓信號。采用3×3矩陣式鍵盤(pán)，占用6個(gè)I/O，主要完成以下功能：波長(cháng)切換、數據存儲、顯示方案切換、開(kāi)關(guān)機、單位切換、開(kāi)關(guān)光源。

2.4 光源

2.4.1 紅光光源

紅光激光筆是檢測光纖故障的常用輔助工具，將紅光打入光纖中，故障位置和高損耗位置紅光會(huì )漏射而產(chǎn)生的可見(jiàn)亮斑可實(shí)現光纖故障可視化定位。因此儀表系統集成了紅光光源功能，能夠發(fā)射0 Hz、1 Hz和2 Hz頻率光。紅光激光器，采用重慶浩鐸光電科技有限公司的650 nm激光器組件，其工作電流是30 mA，為了取得穩定的工作電流，驅動(dòng)電路采用恒定電流的電路驅動(dòng)控制方式，如圖3所示。

當外圍的Vset設置完畢后，由于精密運放U1的3引腳和4引腳虛短可推知，運放的3引腳與4引腳是等電位的。而根據運放虛斷的概念可以得出R1兩端電壓相等，所以TP1電壓恒定等于Vset的值。串聯(lián)支路中流過(guò)R11的電流即為流過(guò)LD的電流，電流大小為I=Vset/R11。當Vset為恒定值時(shí)，流過(guò)LD的電流恒定，達到恒定電流驅動(dòng)激光器的目的。

電路中的Q8為增強型N溝道MOSFET管，主要是用來(lái)控制激光脈沖的開(kāi)啟與關(guān)閉。由TP3輸入的外界控制頻率，通過(guò)Q8控制Q1的基極偏壓，從而控制Q1的開(kāi)和關(guān)狀態(tài)，實(shí)現紅光驅動(dòng)電路按指定頻率發(fā)送脈沖紅光。

2.4.2 單波長(cháng)激光光源

單波長(cháng)激光光源分為0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz頻率光。單波長(cháng)激光器采用武漢昱升光器件公司生產(chǎn)的YSLD3118型1310 nm激光器。為了發(fā)射穩定功率的激光信號，且由于該器件內部集成光功率探測器(PD)，激光器的控制可以采用自動(dòng)功率控制的電路驅動(dòng)方式。紅光激光器驅動(dòng)電路如圖4所示。電路由外圍電壓vset設置激光器初始的工作狀態(tài)，當LD發(fā)光后，PD探測到部分光電流，然后通過(guò)對地電阻R9轉換為T(mén)P2的電壓，同時(shí)TP2電壓反饋到運放的同相端(Vset電壓從運放的反相端)輸入，形成了與輸入電壓的反向補償輸入機制。

當LD功率變大時(shí)，PD探測到的電流變大，TP2的電壓變高，那么OPA2340的1引腳輸出電壓變高，Q4導通程度變小，LD的電流變小，從而使得LD功率又回歸變小。這種自適應的電路方式，通過(guò)實(shí)時(shí)改變LD電流大小，最終使LD功率穩定在某一恒定范圍內。

驅動(dòng)電路增加了脈沖控制激光器輸出功能，脈沖從R5端輸入，控制Q2開(kāi)關(guān)來(lái)分時(shí)導通，使得Vset由脈沖高低電平來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現LD隨輸入控制信號頻率來(lái)發(fā)送激光。

3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊式設計方法，整個(gè)系統由系統初始化、A/D轉換、按鍵掃描等模塊組成。儀表上電后，首先進(jìn)行系統初始化模塊，然后開(kāi)始運行。在執行過(guò)程中，根據選擇分別調用各個(gè)功能模塊完成對應的功能。程序流程圖如圖5所示。

3.1 量程控制

光功率計量程分為8個(gè)檔位，放大電阻從100 Ω～100MΩ，ADC采樣數值范圍為0～32 768，量程切換規則如下：

①若ADC采樣值小于3 000，則量程升一檔選用高一級的放大電阻。

②若ADC采樣值大于30 000，則量程降一檔選用低一級的放大電阻。

③若已經(jīng)為最大量程，ADC采樣值還是非常小，則啟用ADC的內部PGA功能進(jìn)行放大，最小放大倍數是2，最大放大倍數是64。選用的放大倍數能夠讓ADC采樣值經(jīng)放大后超過(guò)3 000即可，無(wú)法達到3 000則按最大放大倍數進(jìn)行放大。

3.2 數字濾波

光電轉換的噪聲、ADC采樣誤差以及光纖中光信號本身的不穩定性都會(huì )給光功率值的測量帶來(lái)一定的干擾，因此采用去極值平均濾波方法。該方法是將連續測量的n個(gè)采樣值按照大小排序，去掉最大值和最小值，然后對剩下的n-2個(gè)采樣值求取平均值。為了保證系統測量的靈敏度，ADC采樣速率設為24 MHz，然后ADC采樣32次，去掉最大的3組數據和最小的3組數據，剩余26個(gè)數據平均處理。

4 光功率計校準

由于光電二極管自身的性能差異會(huì )在光電轉換過(guò)程中引入一定的誤差，同時(shí)ADC雖然精度高達16，但是仍舊存在一定的量化誤差，這些誤差可通過(guò)嚴格的校準來(lái)修正。用光纖和連接器連接光源、可調光衰減器、分光器、標準光功率計和待校準光功率計;用PC串口分別連接標準功率計、待校準光功率計和可調光衰減器。光功率計校準系統結構如圖6所示。

通過(guò)PC的串口設置可調光衰減器的衰減倍數，待光信號穩定后，通過(guò)串口分別讀取待校準功率計和標準功率計光功率值，進(jìn)行比較得到兩者的誤差。通過(guò)調節衰減器不同的衰減倍數，得到不同量程光功率值的修正值。校準后的光功率計測試對比數據如表1所列。

從表1中可以看出功率計精確度較高，誤差控制在±0.1 dBm內，測量光功率范圍為-60～+10 dBm，動(dòng)態(tài)范圍達到70 dBm，同時(shí)在光功率測量時(shí)整機電流小于20 mA，整機功耗小于30 mW。

結語(yǔ)

設計中采用KL462256VLH4微處理器作為主控芯片激光萬(wàn)用表，集成了光功率計、紅光光源和單波長(cháng)激光光源，免去了攜帶多個(gè)儀表奔赴測試現場(chǎng)的不便。光功率計部分具有誤差小、功耗低、成本低、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)，基本上達到進(jìn)口儀表的水平;紅光光源和單波長(cháng)激光光源性能穩定。整體來(lái)說(shuō)，儀表可滿(mǎn)足高校實(shí)驗室的教學(xué)和光通信部門(mén)的施工檢測與維護需求，具有廣闊的市場(chǎng)前景。同時(shí)，本儀表的設計方法和思路同樣適用于便攜式設備的設計原則，具有很高的參考價(jià)值。