C8051F320在的数字可调光衰减器设计中的应用

邢继军

（西北政法大学 经济管理学院计算机系，陕西 西安710000）

0 概述

光衰减器（OA）是光通信中最基本的器件之一，其的主要功能是用来减低或控制光信号，即用于光通讯系统中指标测量，短距通信系统的信号衰减。光衰减器可分为固定光衰减器（FOA）和可调光衰减器（VOA）。固定衰减器成本低廉，但是使用不方便，灵活性差。随着WDM技术近几年的快速发展和应用， 光衰减器， 特别是可调光衰减器（VOA）在EDFA 增益均衡、DWMD 网络光功率控制、光通讯线路、系统评估以及各种实验中等方面起到越来越重要的作用。虽然目前国内外可调光衰减器种类较多，但是大多价格较贵，本文介绍一种造价低廉，高精度，稳定性较好的光衰减器设计方案。

关键元器件选用AGILTRON 公司的MM 系列MEMS 可变衰减器，MM 系列VOA 是基于微电机械结构，驱动简单，可直接利用电压驱动，同时具有良好的光电特性，满足Telcordia 1209 和1221 标准。在微控制器的控制下即可实现不同的驱动电压从而实现光信号的衰减控制。

MM 系列VOA 的特性如下表：

波长范围为C 和L 波段，其衰减范围可达30dB 左右，插入损耗小于0.5dB，基本上满足常规实验和测试要求。

表1 电气参数表

1 系统框图

本系统以具有51 核的微控制器C8051F320 为核心，通过数模转化DAC 来控制EVOA 实现光信号的衰减，输出显示部分为液晶模块，输入部分为四轻触按键， 同时与上位机通讯接口采用USB 和RS232两种接口。

图1 系统框图

2 硬件设计

本衰减器由两部分构成：微控制器（MCU）电路和衰减器（VOA）控制电路。

2.1 MCU 部分

MCU 选用Silabs 公司的C8051F320，其优点如下：

1）采用高速8051T 微控制器内核，高速的流水线结构，70%的指令执行时间为一个或两个时钟周期，速度可达25MIPS；

2）带USB 接口，片内的USB 功能模块符合USB2.0 规范，可在全速或低速下运行，并具有1KB USB 缓存、集成收发器，无需外部电阻；

3）内部存储器有2304BYTE 的RAM，16KB 的FLASH；

4）片内调试电路提供全速，非侵入式的在线调试功能；

5）灵活的交叉开关译码器，可方便配置数字IO，以满足各种IO设计需求。

MCU 部分主要由显示，通讯，键盘三大部分组成。 另外额外的有C2 调试接口：C2D 与C2CLK， 故障或出错报错蜂鸣器等附件。 Silabs系统MCU 的C2 调试接口， 支持FLASH 编程， 边界扫描和在系统调试，其与JTAG 类似，只是它将三个JTAG 数据信号（TDI，TDO，TMS）映射到一个双向的C2 数据信号 （C2D）。 C2 接口配合Silabs 公司的USB DEBUG ADAPTER， 我们可以方便的在线调试程序并下载到C8051F320 的FLASH 中。

其MCU 系统的部分原理图如下：

C8051F320 电源使用+3.3V, 内部振荡器。 在USB 接口与C8051F320 之间使用ESD 保护芯片，USBLC6-4SC6。

IO 设置：

P0.3 用于控制蜂鸣器;

P0.4,P0.5 用于UART;

P1.0,P0.6,P0.7 用于控制DAC 芯片LTC8043;

P1.2,P1.3,P1.4 和P1.5 用于LCD 液晶模块的;

P1.6,P1.7,P2.0 和P2.1 用于输入轻触按键;

P2.2 和P2.3 用于模拟I2C 接口与时钟芯片通讯;

1） 显示部分由段式液晶模块构成： 本设计选择北京青云LCM045A 液晶显示模块。该显示模块共有四位数字和一些特殊符号，基本满足衰减数字的显示要求。

图2 C8051F320 部分原理图

其引脚原理图及引脚定义如下：

图3 液晶原理图

⑴/CS：模块片选信号。

⑵/RD：模块数据读出控制线。 （未接）

⑶WR：模块数据/指令写入控制线。

⑷DATA：数据输入/输出。

⑸GND：地。

⑹VLCD：LCD 屏工作电压调整，可调整视角对比度。

⑺VDD：电源。

⑻WDT 定时器输出。

⑼BZ：压电陶瓷蜂鸣器正极。

⑽/BZ：压电陶瓷蜂鸣器负极。

⑾BL+：背光正极。

⑿BL：背光负极。

2）通讯部分有与上位机通讯的USB 通讯和RS232 串口，与内部时钟芯片I2C 通讯三部分。传统的控制设备与上位机通讯接口一般使用RS232，RS422/RS485 等接口，但是USB 以其易于安装，配置，速度快，易于扩展，方便灵活等一系列的优点越来越为许多设备采用。故本设计中与上位机通讯采用了兼容两种接口的设计：RS232 和USB。

RS232 串口通讯相当简单： 使用SIPEX 公司的RS232 收发芯片SP3223CY 配合适当的电容， 并加DB9 串口头即可构成最简单的RS232 通讯接口。

图4 RS232 原理图

USB 部分：使用C8051F320 内置集成的USB 接口。

内部I2C 通讯接口： 将MCU 的P2.3 和P2.4 模拟为I2C 总线的SDA 和SCL，MCU 做I2C 主 机，PCF8563 时 钟芯片做I2C 从 机，MCU通过模拟I2C 时序与时钟芯片进行的通讯，可设置使用时的时间。 平时未使用到光信号的衰减功能时，液晶屏显示当前系统时间。 采用大容量的法拉电容，可以断电保存时间。在校准设置系统时间后保存，并以正常时间运行。

图5 时钟芯片原理图

3）键盘部分：有按键KEY0，KEY1，KEY2，KEY3 组成。 完成手动功能：

“加”：衰减值增加。

“减”：衰减值减少。

“校准”：按成衰减器的标定与校准。

“切换”：通讯接口切换，从USB 切换到UART 口。

2.2 VOA 部分

VOA 选用AGILTRON 公司的MM 系列MEMS 可变衰减器，可直接使用电压驱动，由于C8051F320 无电压型DAC，所以需要选择合适的DAC 芯片来实现对VOA 的直接电压驱动，DAC 芯片输出不同的电压值驱动VOA 就能控制光的衰减量。 在本设计中使用DAC LTC8043和运放LT1097。 LTC8043 是Linear 公司的串行12 位DAC 芯片，其简单方便，高速的串行接口对用户来说，其操作非常简单，同时芯片输出量精度高，其DNL 和INL 在±0.5LSB，增益误差在±1LSB。 LT8043R 的管脚完全兼容DAC8043 和MAX543。

图6 VOA 控制原理图

3 FIRMWARE 设计

3.1 USB 模块

使用Silabs 公司的USBXpress 软件开发包，该软件包不需要开发人员过多熟悉USB 协议和设备驱动的相关知道， 只需掌握客户端和设备端的应用程序接口（Application Program Interface）API,编程只可以实现USB 通讯控制功能。 USBXpress 数据流如下图：

在FIRMWARE 中调用Silabs 公司提供的相关头文件:

c8051f320.h,

F32x_USB_Register.h,

F32x_USB_Main.h,

F32x_USB_Descriptor.h，

图7 USB 流程图

USB 工作在中断模式下，当USB 中断到达时，C8051F320 首先通过读取USB 功能控制器的三个中断寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 来判断中断来源（USB 复位中断、端点0 中断、端点1 输入中断、端点2 输出中断），然后根据不同的中断来源跳入相应的处理模块以进行不同的中断处理，并在处理完毕后返回。

3.2 DAC 模块

LTC8043 时序如下：

图8 LTC8043 时序图

通过C8051F320 的IO 来模拟产生相关以上时序，实现控制DAC LTC8043 功能。代码如下：

4 测试结果

4.1 光衰减器的衰减量测试：假设光衰减器输入光功率为P1，输出光功率为P2，则光衰减器衰减量的计算公式为：

测试结果：误差小于0.05dB

4.2 光衰减器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出的光能量之比，它是影响系统性能的一个重要指标。 设光衰减器的输入光功率为P1，从光环行器另一端输出的光功率为P2，则其计算公式为：

测试结果：小于45dB

5 结论

本系统充分利用了C8051F320 和EVOA 功能强大， 开发简单的优点，设计了一种低成本，使用方便的光衰减器。与国内外光衰减器相比，成本节约了1/2，而且对比测试，其精度，稳定可靠性达到相当的水平，可使用于光纤通信系统指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统实验中。

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［9］1097fas,datasheet[EB/OL].http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1097fas.pdf.

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