基于LPC1754的高精度激光功率计设计

蒋刚刚，薛 琳，朱 彤，邱德华，黄鹤松

(1.山东科技大学，山东青岛 266590；2.山东力创科技股份有限公司，山东济南 250101)

0 引言

随着激光技术的快速发展与广泛应用，在许多重要应用领域，对激光参数具有愈加严格要求，尤其是激光功率、能量2个参数[1]。然而，传统的激光功率计在测量精度和智能程度上存在很大的局限性，无法满足医疗、科研等行业的应用需求[2]。本文设计了一款基于LPC1754的高精度激光功率计，硬件上主要通过选择合适的探测器和功能丰富的微控制器，并设计程控放大、滤波等调理电路；软件上采用测量补偿修正的原理，实现对激光功率的精确测量。

1 系统原理

目前用于激光功率测量的探测器主要有光电探测器、热释电探测器、热电堆探测器[3]。光电型激光功率计利用光信号通过光电池进行光电转换，产生一个电压信号，通过计算得到光功率，光电型激光功率计的主要优点是灵敏度高、响应时间短，但这种功率计对各种不同波长的辐射响应不同，测量精度低[4]。热释电型激光功率计通常选用热电晶体为热敏单元，它产生与吸收热量成正比的电压信号，此类激光功率计响应时间长，使用寿命短。热电堆型激光功率计利用内部多个热电偶吸收光功率，导致热电偶测温端温度上升，热电偶之间会产生电势差Vn，在输出端获得它们的电压之和，热电堆型激光功率计响应速度慢，灵敏度低，但它对各种不同波长的辐射有较平坦的响应，测量精度高[5]。

为实现高精度的激光功率测量，本设计选用热电堆探测器。当激光照射到热电堆探测器表面时，探测器吸收辐射导致温升，在其内部的热电堆上就形成一个对应的温度梯度，并产生一个与入射功率成正比的电压信号，该信号经过放大、A/D转换和微控制器数据处理，将测量结果显示到液晶屏上。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

激光功率的测量原理比较简单，系统使用的T型热电堆型探测器的光谱响应范围很宽，探测波长下限在220 nm左右，上限可以达到2 500 nm左右，在此范围内，响应度随波长变化很小，响应偏差小于2.7%，此范围被认为是线性响应范围，一般测量无需补偿，在此波长范围外，通过补偿系数进行修正。在计算入射激光功率时使用下式[6]：

V=P·R·K(λ)·g

(1)

式中：V为探测器的输出电压，mV；P为测得的功率值，W；R为绝对响应度，mV/W，在整个系统中R是一个固定值；K(λ)为响应度补偿系数，在线性响应范围内，系统无需补偿，K(λ)=1；g为归一化补偿系数，未作修正时g=1。

2 硬件设计

2.1 微处理器选择

本设计选用的LPC1754FBD80是Cortex-M3微处理器，该处理器主频高达100 MHz，片内含512 KB字节的FLASH储存器，64 KB字节的数据存储器，4个UART，2个SPI接口，具有片内资源丰富、功耗较低、性能稳定、价格便宜等特点，满足本设计作为便携式测量仪器的性能需求。

2.2 程控放大电路设计

热电堆探测器输出的电压信号经过RC滤波后输入到由运放AD8221构成的电压跟随器，AD8221具有较高的共模抑制比，可很好地抑制带宽干扰，提高系统的测量精度[7-8]。使用OP2117的一组运放对输出信号进行放大，使用多路模拟选择开关CD4052和电阻R6、R7、R8、R9作为程控放大器的反馈回路，实现对输入信号的不同倍数的放大[9]。OP2117的另一组运放构成偏置电路，为运放AD8221、OP2117提供偏置电压，偏置电压为4.096 V/(R3+R4)R3=2.048 V，以保证A/D的输入信号为正电压，ADin为程控放大电路的输出信号。程控放大电路如图2所示。

图2 程控放大电路

2.3 A/D转换电路

A/D转换电路如图3所示。A/D转换电路选用的AD7193是一款高分辨率、低噪声的24位模数转换芯片，均方根噪声为11 nV，这些特性保证了高精度信号的稳定输出[10]。参考电压源REF1941的输出电压为4.096 V，为A/D转换器提供精确稳定的基准电压。通过AD7193的差分输入通道AIN1、AIN2，将程控放大器的输出电压ADin经过RC滤波后送入AD7193，经A/D转换后，以SPI通信方式将A/D转换结果送入LPC1754微控制器。

图3 A/D转换电路

2.4 电源电路设计

BQ24072输出3.7 V电压分为2路：一路经升压芯片MC34063及外围电路将3.7 V转换为5 V，为LCD、运放OP2117等器件供电，并采用稳压芯片AMS1117将5 V转换为3.3 V，为LPC1754和A/D转换芯片AD7193供电；另一路经升压芯片LT3467及R21、R22输出±16.25 V给运放AD8221供电。电源电路如图4所示。

图4 电源电路

2.5 其他电路

选用像素为320×240的4英寸定制液晶模块HSM320240A-B，将需要显示的当前激光功率值和单位等信息显示于定制的液晶屏。

使用FM25L16作为非易失性存储器，用于保存预先配置的可选量程、补偿系数等参数，使这些参数掉电时不丢失。

3 系统软件设计

激光功率计的软件由主程序和多个子程序构成，子程序包括按键子程序、A/D数据采集子程序、数据处理子程序、液晶显示子程序和通信子程序等。

3.1 主程序

仪器上电后，经过系统初始化进入系统定时检测，对系统上电后的通信状况、LCD背光、电池电量等进行检测，同时允许与AD7193数据输出引脚相连的GPIO中断，当GPIO中断发生时，在中断服务子程序中接收AD7193的输出数据，并存放到测量数据缓冲区，系统对测量数据缓冲区中的数据进行查询，如果缓冲区内数据为空，则进行持续检测，如果缓冲区中的数据非空，则进入数据处理子程序，并将计算的功率值进行存储和显示。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 子程序

本激光功率计的功能实现与数据的精确测量主要通过按键子程序和数据处理子程序来实现。设计中共使用10个按键，通过按键扫描，分别实现探头型号的选择(T02、T20、T200)、测量功能的选择(功率、平均功率)、激光波长的选择(通用、特定波长值)、量程的选择、补偿系数的选择与设置，另有4个导航键，用于补偿系数的手动设置，外加一个确定键。在数据处理子程序中，当量程选择按键选择某一特定量程时，LPC1754控制74HC4052模拟开关的两个地址端选择相应的放大倍数，对采集的数据进行判断，如果采集数据与当前量程不匹配，控制模拟开关对放大倍数进行自动调整。LPC1754对采集数据进行连续10次记录然后取平均值，得到均值后根据响应度以及补偿系数计算出激光功率值。不同型号探头与可选量程的对应关系如表1所示。

4 误差分析与校准

为了提高测量的准确性，扩大测量的范围，需要针对测量环境或附加波长进行补偿，对测量的结果进行修正。本设计通过软件处理，实现系统的自动补偿，液晶显示屏直接显示修正后的测量结果数值。

表1 探头与量程关系表

4.1 归零补偿

归零补偿功能是从信号中消除背景干扰可能导致的偏差。如果测量环境中存在一个热辐射背景，则当没有激光照射时，液晶也会显示一个非零的功率读数，此时，当确定按键按下时，系统会在原始测量结果中减去这个偏差，消除背景干扰，保证测量的功率值精确有效。

4.2 波长响应度补偿

当测量激光波长不在线性响应范围时，直接测量会产生较大的误差，在保证精度的同时，为了扩大激光功率计的测量范围，预先设置一组激光波长补偿系数，当激光波长选择按键选定波长后，相应波长的响应度补偿系数K(λ)被选定，通过式(1)计算，测得精确功率值。

4.3 归一化补偿

同一型号不同探头的灵敏度存在差异，当测量仪器更换探头或探头使用时间较长导致灵敏度降低时，使用原始测量值与标准值归一化的方法，对激光功率计进行校准。使用标准激光功率计与设计激光功率计对同一激光进行测量，将设计激光功率值与标准激光功率值做商，得到的便是归一化补偿系数g，通过按键操作将补偿系数输入功率计，代入式(1)，即得到归一化后的功率值。

5 系统测试

选用可调激光器，调节激光器的输出功率，使用标准激光功率计标定出一组固定的功率值，做好记录。然后对激光器输出的标准固定功率值同样输入到本激光功率计，开始测试，并记录数据。在测量时，注意探头型号的选择与更换。测试结果如表2所示。

由表2可知，本设计系统测量的激光功率值与标准激光测量值相差较小，测量相对误差在±5%以内，测量范围可达0.01～100 W，同时还可以看出在此测量范围内测量相对误差随着测量功率值的增加而减小。

表2 测试结果

因此，本设计的基于LPC1754微控制器的激光功率计可很好地满足实际工程对测量精度和测量范围的要求。

6 结束语

设计的基于LPC1754微控制器的高精度激光功率计可实现对较宽范围波长功率的精确测量，同时对多种测量误差进行了补偿和修正，使测量精度大幅提高。本激光功率计设计了可靠的充电管理系统，通过外部设备对两节锂电池进行充电，增加了系统的供电可靠性，同时也使设计的仪器的便携性得到增强。该激光功率计在医学、科研、教育等领域具有良好的应用价值。