基于MSP430F的多路光功率計設計

光通信中，需要對光纖中的載體光信號強刺進(jìn)行準確測量，而光功率計就是基于此設計的能檢測出光纖信號源功率的儀表，是光纖通信工程實(shí)際應用和各種科學(xué)實(shí)驗不可缺少的測量?jì)x器。

光功率計的核心運算和控制器件通常選用5V供電的C51系列單片機，系統功耗相對來(lái)說(shuō)較高C51系列單片機本身沒(méi)有集成A／D轉換模塊，信號采集后的A／D轉換需要外接芯片，不僅占用單片機的I／O端口，而且增加功耗，對于功耗要求高的場(chǎng)合(比如戶(hù)外)就不適用。并且市場(chǎng)上通用光功率計基本都是單路測量，需要對多個(gè)光信號測量時(shí)只能不斷切換，比較繁瑣且容易損壞器件接頭。

本設計采用MSP430F2272單片機實(shí)現多路光功率的測量。MSP430系列單片機是美國德州儀器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號處里器(Mixed Signal Processor)具有處理能力強、運行速度快、集成度高、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)。MSP430F 2272的供電電壓只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz時(shí)的電流只有270μA。系統內部可提供或外接高達16MHz的時(shí)鐘信號，指令周期只有62．5ns，也可使用內部數字振蕩器(DCO)或外接32768Hz低速晶體，用戶(hù)可靈活平衡高性能和低功耗的選擇。片上集成了10-bit 200kbps的A／D轉換器且含有具有3個(gè)捕獲比較奇存器的16位定時(shí)器TimerA、TimerB，4個(gè)8位并行復用端口，其中P1，P2口有中斷能力。擁有32kB+256B Flash Memory，1 kB RAM，支持JTAG在線(xiàn)編程和仿直調試。

1 設計原理

目前通用的光功率測量方法有兩種，一種是熱轉換型方式，利用黑體吸收光功率后溫度的升高米計算光功率的大小。這種光功率計光譜響應曲線(xiàn)平坦、準確度高，但是成本高、響應時(shí)間長(cháng)，一般被用來(lái)作為標準光功率計。另一種辦法是半導體光電檢測方式，利用半導體PN結的光電效應，將光信號轉化為電信號來(lái)計算光功率的大小。一般通用的光功率計郁采用第二種方法選用PIN光電探測器通過(guò)光電轉換實(shí)現光功率的測量。
本設計把被測的光信號通過(guò)光電探測器(PIN)的半導體PN結光電效應轉換為電流信號，經(jīng)過(guò)I／V轉換并放大后的電壓信號被送入單片機片上集成的A／D轉換器轉換為數字信號，并在單片機內運算處理后在液晶上面顯示出測量結果。圖1是原理框圖。

由于模數轉換器也集成在片上，而本身MSP430系列單片機的超低功耗特性使得整個(gè)系統功耗比較低，可以選擇外接電源供電或者電池供電。

2 功能實(shí)現

整個(gè)系統主要由電源管理模塊，信號采集模塊，A／D轉換和數據運算處理模塊，液晶顯示模塊構成。軟件在IAR Embedded Work-bench平臺上設計調試。

2．1 電源管理

系統是基于低功耗的，所以對于系統供電可以選擇外接適配器電源也可以選擇電池，為此設計了電源管理系統，如圖2所示。

當電池供電時(shí)，P溝道MOS管的的漏源極外接二極管導通，同時(shí)電源管理芯片LTC4412開(kāi)始工作，使P溝道MOS管導通，工作于飽和區，把漏源壓降降到20mV，此時(shí)電池給負載供電，即使外接電源掉電系統也可以正常工作。

當外接電源接通后，肖特基二極管導通，負載電壓高于電池電壓，LTC4412 SENSE引腳電壓拉高，LTC4412關(guān)閉P溝道MOS管，使其工作于截止區，即使接有電池，負載電流也全部來(lái)自通過(guò)肖特基二極管的外接電源。此處不用硅二極管代替肖特基二極管，因為其正向導通壓降(0．7V)大于肖特基二極管(0．4V)，會(huì )產(chǎn)生較大功牦，容埸發(fā)熱。

在電池和外接電源之間接充電芯片LTC4002和對應電路，就實(shí)現了整個(gè)電源管理系統。設計中電池選用了7．4V 可充電鋰電池組。外接電源適配器是8．4V，1A輸出的AC-DC電源。當電池電量不夠時(shí)外接電源通過(guò)LTC4002對電池充電并給負載供電。

2．2 信號采集

待測的光信號被光電探測器轉換為電流信號本設計中探測器選用了武漢顯升光器件公司的YSPD728 C6，可探測800～1700nm波長(cháng)，最大強度+30dBm的光信號，具有較高響心度(0．85A／W)及低暗電流(1nA)的特性。
探測器轉換出來(lái)的電流信號很小，一般是在uA甚至nA級，所以需要對其進(jìn)行放大并轉換為能夠匹配后級A／D轉換器的電壓信號。AD8304是AD公司專(zhuān)為測量光功率而設計的對數放大器，能夠在-40℃～+85℃范同內工作，具有160dB(100pA～10mA)的寬動(dòng)態(tài)測試范圍，1nA～1mA范圍內的線(xiàn)性誤差為0．1dB，靜態(tài)電流只有約4．5mA，輸出端有10MHz帶寬的低通濾波器。使用時(shí)電流輸入引腳和光電探測器輸出引腳盡量靠近，以減少噪聲引入。圖3是A08304輸入電流和輸出對數電壓的關(guān)系圖。

芯片的對數輸出電壓為：VLOG=VYlog10(IPD／IZ)其中VY為斜率電壓，由圖3可看出VY=0．2volt／decade，IPD是輸入電流，IZ稱(chēng)為基準電流，是100pA的定值。

AD8304的對數輸出VLOG和最后的輸出VOUT之間有一級同相運放，可以根據不同的需要選擇外接電阻得到適合的輸出電壓。需要說(shuō)明的是VY和IZ也可以選擇不同外接電阻進(jìn)行調整。本設計中對數輸出電壓在0～1．6V范圍內，符合后級A／D轉換器的需要，故把同相運放接成電壓跟隨器的形式。
假設經(jīng)過(guò)光電轉換的電流信號IPD=100nA，經(jīng)過(guò)對數放大器的輸出電壓為
VOUT=VLOG=0.2xlog10(100nA／100pA)=0．6V

2．3 A／D轉換和數據運算處理

經(jīng)過(guò)AD8304后，小電流信號變成相對較大的電壓信號，這時(shí)就要送入A／D轉換器進(jìn)行模數轉換。MSP430系列單片機很突出的一個(gè)特點(diǎn)就是片上集成了A／D轉換器，使得很多數據運算處理都在片上進(jìn)行，降低了功耗。MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A／D)轉換器，內部可提供1．5V或2．5V參考電壓，可選擇轉換時(shí)鐘源，具有8個(gè)外部模擬輸入通道。

基于以上配置本設計把8路電壓信號直接接到單片機A／D轉換模塊的8個(gè)外部模擬輸入通道，并設置了按鍵，按照查詢(xún)方式動(dòng)作選擇哪一路模擬信號輸入到A／D轉換器，相當于做了一個(gè)多路選擇開(kāi)關(guān)。這樣不僅省去了外部A／D轉換芯片，也省去了多路復用器芯片，降低了系統功耗。

另外，根據光電探測器對不同波長(cháng)光信號的響應度不同，系統也設置了相應功能按鍵通過(guò)軟件設置選擇不同的響應度進(jìn)行片內數據處理。

2．4 液晶顯示

為了把8路測試結果同時(shí)顯示出來(lái)，本次設計選用了40x4字符型液晶。經(jīng)過(guò)運算處理的信號被放到單片機P4口上送入液晶顯示出來(lái)。

系統功耗最大的是液晶的LED背光，設計中單獨選用了一個(gè)LDO轉壓芯片AMS1117-5并設置了開(kāi)關(guān)，可以在能見(jiàn)度比較高的場(chǎng)合下手動(dòng)關(guān)掉背光電源，尤其是在電池供電情況下，這樣可以在電池供電情況下延長(cháng)功率計的使用時(shí)間。

3 結束語(yǔ)

本設計基于單片機MSP430F2272，利用其片上集成具有8個(gè)外部模擬輸入的A／D轉換器實(shí)現了多路光信號功率的測量，同時(shí)在此基礎上利用MSP430系列單片機的超低功耗特性選用LTC4412和LTC4002芯片及相應電路設計了電源管理系統，使系統可靈活選擇供電方式。對數放大器AD8304的選用直接把微小電流信號轉化為后級可用的電壓信號，也是本設計的不同之處。經(jīng)過(guò)測試，不開(kāi)液晶背光的情況下系統總的電流消耗不超過(guò)50mA，功耗較低，可以滿(mǎn)足一定精度的測試需求。