基于KL46主控制器的光萬用表設計

摘要：針對國內市場上的光萬用表存在測量不夠精確或者功耗過高的問題，設計了一款手持式光萬用表，給出了主要模塊的硬件原理圖、系統(tǒng)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單波長激光光源功能，各個功能可以單獨使用，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(wěn)定，其紅外光源和1310 nm單波長激光光源穩(wěn)定可靠，具有很高的使用價值。

引言

數字化智能化測控儀表是近年來工業(yè)過程應用儀表方面的主要發(fā)展趨勢。微電子技術的發(fā)展和工業(yè)過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。由各具體行業(yè)的業(yè)內人士使用單片機來開發(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、光通信研究與教學中十分常用的設備，并經常組合使用。將光功率計和穩(wěn)定光源組合在一起稱為“光萬用表”，它常用來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(以下簡稱KL46)作為主控器，利用其自帶的16位ADC，再加上外圍電路，實現了光功率計、紅光光源和單波長激光光源功能。

1 工作原理

光萬用表系統(tǒng)是由光功率計、紅光光源和單波長激光光源3個部分組成，其工作原理如圖1所示。

光功率計部分將待測光信號經光電轉換模塊轉換為電流信號，再經過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(wěn)定性差、結構復雜且價格高。而PIN光電二極管具有高響應度、低暗電流、寬動態(tài)范圍、高線性度、重復性好、價格便宜等優(yōu)點，完全滿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，暗電流為0.5 nA，響應度是0.85 A/W，動態(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量程并且能夠根據光信號大小范圍自動切換量程。由于輸入信號比較小，其量程切換實際上是放大倍數的切換。MCU根據輸入信號的大小，通過控制模擬開關來改變反饋電阻阻值實現信號強度的放大切換，使經過調理后的輸出電壓能夠滿足ADC對輸入的要求。I/V轉換及量程切換電路主要由一個8路模擬開關MAX4638和一個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個不同的通道，對應不同的放大倍數，經過放大后的ADC兩端輸入電壓：V=I—optical×R。

2.3 單片機控制系統(tǒng)

飛思卡爾KL462256VLH4是基于ARM 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ADC的差分模擬輸入方式具有高寬帶、低功耗、低失真的優(yōu)點，因此設計中AD0采用差分轉換方式來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，間隔一段時間采集電池電壓信號。采用3×3矩陣式鍵盤，占用6個I/O，主要完成以下功能：波長切換、數據存儲、顯示方案切換、開關機、單位切換、開關光源。

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漏射而產生的可見亮斑可實現光纖故障可視化定位。因此儀表系統(tǒng)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(wěn)定的工作電流，驅動電路采用恒定電流的電路驅動控制方式，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。串聯支路中流過R11的電流即為流過LD的電流，電流大小為I=Vset/R11。當Vset為恒定值時，流過LD的電流恒定，達到恒定電流驅動激光器的目的。

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

2.4.2 單波長激光光源

單波長激光光源分為0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz頻率光。單波長激光器采用武漢昱升光器件公司生產的YSLD3118型1310 nm激光器。為了發(fā)射穩(wěn)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功率控制的電路驅動方式。紅光激光器驅動電路如圖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，然后通過對地電阻R9轉換為TP2的電壓，同時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，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，通過實時改變LD電流大小，最終使LD功率穩(wěn)定在某一恒定范圍內。

驅動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開關來分時導通，使得Vset由脈沖高低電平來實現開關控制，實現LD隨輸入控制信號頻率來發(fā)送激光。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊式設計方法，整個系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化、A/D轉換、按鍵掃描等模塊組成。儀表上電后，首先進行系統(tǒng)初始化模塊，然后開始運行。在執(zhí)行過程中，根據選擇分別調用各個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(guī)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采樣值經放大后超過3 000即可，無法達到3 000則按最大放大倍數進行放大。

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(wěn)定性都會給光功率值的測量帶來一定的干擾，因此采用去極值平均濾波方法。該方法是將連續(xù)測量的n個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個采樣值求取平均值。為了保證系統(tǒng)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在光電轉換過程中引入一定的誤差，同時ADC雖然精度高達16，但是仍舊存在一定的量化誤差，這些誤差可通過嚴格的校準來修正。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(tǒng)結構如圖6所示。

通過PC的串口設置可調光衰減器的衰減倍數，待光信號穩(wěn)定后，通過串口分別讀取待校準功率計和標準功率計光功率值，進行比較得到兩者的誤差。通過調節(jié)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，動態(tài)范圍達到70 dBm，同時在光功率測量時整機電流小于20 mA，整機功耗小于30 mW。

結語

設計中采用KL462256VLH4微處理器作為主控芯片激光萬用表，集成了光功率計、紅光光源和單波長激光光源，免去了攜帶多個儀表奔赴測試現場的不便。光功率計部分具有誤差小、功耗低、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，基本上達到進口儀表的水平;紅光光源和單波長激光光源性能穩(wěn)定。整體來說，儀表可滿足高校實驗室的教學和光通信部門的施工檢測與維護需求，具有廣闊的市場前景。同時，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，具有很高的參考價值。