基于ATmega16的數(shù)字光功率計設(shè)計

0 引言
數(shù)字光功率計是一種由單片機(jī)控制的、可測量光信號強(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)的光功率計存在測量精度低，測量范圍窄，便攜性差等問題。針對這種情況，開發(fā)了一種由AVR單片機(jī)控制的通用便攜光功率計，具有量程可自動轉(zhuǎn)換，測量精度高，通用性強(qiáng)，攜帶方便的特點，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間內(nèi)所做的功。該數(shù)字光功率計由微處理器、光電探測器、I／V變換器、量程自動轉(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，它具有一個可編程的UART和獨(dú)立于片內(nèi)振蕩器的看門狗定時器等資源，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器，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于實驗室和野外便攜式儀器等的探測器。在該系統(tǒng)中，硅光電池工作于零偏狀態(tài)。
自動量程轉(zhuǎn)換部分通過運(yùn)算放大器和多路選擇開關(guān)CD4051來完成。反饋信號通過CD4051選擇不同的量程，進(jìn)行自動量程轉(zhuǎn)換，以輸出合適的電壓信號。
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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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)計的數(shù)字光功率計采用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將信號放大，通過16位精度的A ／D轉(zhuǎn)換器AD7705將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。粗測數(shù)據(jù)的信號反饋，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 自動量程轉(zhuǎn)換
實現(xiàn)高精度的測量。一般通過控制輸入信號的衰減／放大倍數(shù)來實現(xiàn)。就光功率計而言，一般輸入信號都比較小，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個二進(jìn)制控制輸入端A，B，C和INH輸入端，3個二進(jìn)制信號選通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將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。粗測數(shù)據(jù)的信號反饋，可使單片機(jī)的PB4和PB3管腳控制CD4051選擇4個不同的通道，對應(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，適用于測量低頻模擬信號。它的特點是功耗低，精度高，動態(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，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。