基于ATmega128的光功率测试系统的设计＊

1 引言

伴随着国内外国民经济超高速发展，其光电子技术的也进行更新换代的发展，光功率测试技术广泛应用于光纤信息通信、光电子传感、光功率测试仪器仪表测试及生产等领域。本设计旨在应用高性能的嵌入式ATmegal28微处理器控制AD7715模／数转换器芯片，通讯接口选用INTEL公司发起的新一代、超快传输速率、高兼容的USB3.0接口。同时该光功率测试系统还带有LCD128×64液晶显示屏进行显示，具有高精确性的特点，非常适应于光信号检测和光通信技术领域的使用和推广。

2 硬件设计与实现

光功率测试系统由ATmegal28微处理器、光电信号探测器、I/V变换器、A/D模数转换、自动量程切换、LCD128×64液晶显示、USB3.0接口等部分组成。

2.1 ATmega128微处理器

ATmega128是采用AVR RISC结构设计的8位低功耗的CMOS微处理器芯片，是AVR系列处理器中功能最强大的处理器。工作时钟频率16 MHz，工作电压VCC是5 V。其具有53个可编程I／0、64引脚TQFP与64引脚MLF封装等功能。ATmega128处理器通过控制模/数转换器AD7715进行数据处理，通过LCD液晶显示及USB接口通信。ATmega128微处理电路原理图如图1所示。

图1 ATmega128微处理器电路原理图

2.2 光电信号探测器

光功率测试系统中探测器是直接将光的信号转换成电的信号的关键部件。光电信号探测器里面主要器件是光电传感器，它主要作用是用来转换被测的光源信号为电流的信号。探测器应用三线正级、负级、地级3个端口进行控制。随着被测得光源信号强度变化，探测器中的传感器进行探测输出的电流也会紧跟着变化。ATmega128微处理器通过对变化的电流量变化及转换分析得出相对的被测光源信号的变化数值。

2.3 I／V变换器

光电信号探测器输出比较小电流信号与电路设计的电压放大器不相匹配，需把电流信号转变为电压信号。电路设计一个输入电流I，由公式V=AI的计算方式输出电压，A是设计电路的增益，通过V/A进行计算。如图2所示，信号电流相加算出-IS+(V-0)/R=0，即： V=RIS,其中R是设计电路的增益。

图2 I／V变换电压

2.4 A／D模数转换芯片AD7715

A／D模数转换芯片AD7715是美国AD公司16位模数转换器。AD7715芯片具有以下优点：① 微功耗。电压在3V和1 MHz主频情况时AD7715芯片消耗总的电流不会超过450μA，待机的电流低于10μA，是低功耗系统中理想芯片。

② 可进行编程增益输入允许AD7715芯片将传感器或应变片的信号直接的接到输入端而省略掉数量可观的信号处理的电路。

③ 使用三线串行接口减去部分连接线数量时，并可减去需要隔离系统作用的光偶数量，是基于DSP处理器或者微控制器应用的完美选择。其拥有的片上寄存器，经过它可软件进行控制输出刷新频率，使输入增益，顶部模式或信号极性。

④ AD7715芯片具有极佳静态的性能。例如16位无误码输出，0.0 015%非线性度。

光功率测试系统通过探测器将通过光纤输入的光信号转变为电流信号，再由电流信号通过I／V变换器转换为电压信号，最后通过A／D模数转换芯片AD7715转变后输入ATmega128微处理器进行处理。AD7715内部结构图如图3所示。

图3 AD7715内部结构图

2.5 自动量程切换

光功率测试系统中，自动量程切换通过多通道开关芯片CD4051和集成运放芯片LM324组成。其电路图如图4所示。芯片CD4051是一种单8通道数的数字控制模拟电子芯片开关。由3个二进制控制输入端A、B、C和INH输入端。3个二进制信号选着通8通道中的任一通道，并可直接连接它的输入端到输出端。

图4 自动量程切换电路图

2.6 LCD液晶显示

ATmega128微处理器通道处理光信号转变相应的数值，最后由LCD128×64液晶显示屏进行显示。LCD128×64是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字。LCD128×64控制命令代码如下。

2.7 USB接口

系统应用了INTEL公司发起的USB3.0接口，是新一代的USB接口，特点是传输速率非常快，理论上能达到5 Gbit/s，比USB2.0快10倍，能兼容USB2.0和USB1.1设备。

3 系统软件实现

ATmega128微处理器通电后首先进行了初始化，其包含系统部分初始化和显示部分初始。系统部分初始化中含有中断初始化、时钟初始化、USB3.0口初始化等操作。显示部分初始化含有显示方式及设置项等。选择默认切换最大档位后转换，通过A/D转换，最后由显示屏进行功率值显示。其初始化命令代码如下，流程图如图5所示。

图5 ATmega 128主控流程

4 数据测量对比

将光功率测试系统与日本横河（YOKOGAWA）公司光功率测试系统(型号WT130)进行实际数据测试并对比，波长是1310 nm，数据测量结果如表1所示。

表1 数据测量对比

通过以上数据测量对比，得出该光功率测试系统具有高精确性。

5 结束语

该设计中选用ATmega128微处理器为CPU，结合AD7715模数转换芯片、高兼容性USB3.0接口设计一套实用与精度高的光功率测试系统，并在实际应用中取得良好效果。