基于MSP430F2272單片機的多路光功率計 - 全文

本文主要介紹了一種基于MSP430F2272單片機的多路光功率計的設計原理和實現方法MSP430F2272單片機具有多路模擬輸入復用端口的片上集成10位模數轉換器，可在低功耗條件下實現測量多路光信號功率的功能。整個設計簡單實用，易于實現。

光通信中，需要對光纖中的載體光信號強刺進行準確測量，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，是光纖通信工程實際應用和各種科學實驗不可缺少的測量儀器。

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(tǒng)功耗相對來說較高C51系列單片機本身沒有集成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合(比如戶外)就不適用。并且市場上通用光功率計基本都是單路測量，需要對多個光信號測量時只能不斷切換，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、開發(fā)方便等優(yōu)點，有很高的性價。MSP430F 2272的供電電壓只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz時的電流只有270μA。系統(tǒng)內部可提供或外接高達16MHz的時鐘信號，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個捕獲比較奇存器的16位定時器TimerA、TimerB，4個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平坦、準確度高，但是成本高、響應時間長，一般被用來作為標準光功率計。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光電探測器通過光電轉換實現光功率的測量。

本設計把被測的光信號通過光電探測器(PIN)的半導體PN結光電效應轉換為電流信號，經過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系統(tǒng)功耗比較低，可以選擇外接電源供電或者電池供電。

2 功能實現

? ? 整個系統(tǒng)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(tǒng)是基于低功耗的，所以對于系統(tǒng)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(tǒng)，如圖2所示。

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

當電池供電時，P溝道MOS管的的漏源極外接二極管導通，同時電源管理芯片LTC4412開始工作，使P溝道MOS管導通，工作于飽和區(qū)，把漏源壓降降到20mV，此時電池給負載供電，即使外接電源掉電系統(tǒng)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關閉P溝道MOS管，使其工作于截止區(qū)，即使接有電池，負載電流也全部來自通過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），會產生較大功牦，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，就實現了整個電源管理系統(tǒng)。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。當電池電量不夠時外接電源通過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，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。

　　探測器轉換出來的電流信號很小，一般是在uA甚至nA級，所以需要對其進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）的寬動態(tài)測試范圍，1nA～1mA范圍內的線性誤差為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。需要說明的是VY和IZ也可以選擇不同外接電阻進行調整。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。

　　假設經過光電轉換的電流信號IPD=100nA，經過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

　　經過AD8304后，小電流信號變成相對較大的電壓信號，這時就要送入A／D轉換器進行模數轉換。MSP430系列單片機很突出的一個特點就是片上集成了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，可選擇轉換時鐘源，具有8個外部模擬輸入通道。

　　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個外部模擬輸入通道，并設置了按鍵，按照查詢方式動作選擇哪一路模擬信號輸入到A／D轉換器，相當于做了一個多路選擇開關。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(tǒng)功耗。

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

　　2．4 液晶顯示

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

　　系統(tǒng)功耗最大的是液晶的LED背光，設計中單獨選用了一個LDO轉壓芯片AMS1117-5并設置了開關，可以在能見度比較高的場合下手動關掉背光電源，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功率計的使用時間。

　　3 結束語

　　本設計基于單片機MSP430F2272，利用其片上集成具有8個外部模擬輸入的A／D轉換器實現了多路光信號功率的測量，同時在此基礎上利用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(tǒng)，使系統(tǒng)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。經過測試，不開液晶背光的情況下系統(tǒng)總的電流消耗不超過50mA，功耗較低，可以滿足一定精度的測試需求。