摘要：通過光電傳感器將待測光信號變化轉變?yōu)槟M信號，對模擬信號進行AD處理分析得到光信號的參數(shù)特性并在51單片機上通過串口通訊輸出。
關鍵詞：光功率計；AD轉換；單片機

1 背景概述
1．1 光功率定義
    光功率是光在單位時間內(nèi)所做的功。光功率常用單位是毫瓦(mW)和分貝(dB)，其中兩者關系為1mW=0dB，而小于1mW的分貝為負值。例如，在光纖收發(fā)器或交換機說明書中，有其產(chǎn)品的發(fā)光和接收光功率，通常發(fā)光小于0dB。
     接收端所能夠接收的最小光功率稱為靈敏度，能接收的最大光功率減去靈敏度的值稱為動態(tài)范圍，發(fā)光功率減去接收靈敏度是允許光纖損耗值。
1．2 使用分貝做單位主要有兩個好處
    (1)數(shù)值較小，便于記錄。電路放大倍數(shù)通常數(shù)量級較大，有些大型電路甚至達到萬級以上。用分貝表示時，先轉化為對數(shù)，數(shù)值較小，便于記錄。(2)運算方便。放大器級聯(lián)時，總的放大倍數(shù)是各級相乘。用分貝做單位時，總增益就是相加。如果某個功率放大器第一級的放大倍數(shù)是100倍(20dB)，第二級是20倍(13dB)，則總功率放大倍數(shù)為2 000倍，總增益33dB。
1．3 光功率計的設計要點
    針對實際應用，要選擇適合的光功率計，應該關注以下各點：
    (1)選擇最優(yōu)的探頭類型和接口類型。
    (2)評價校準精度和編寫校準程序，與光纖和接頭要求范圍相匹配。
    (3)確定這些型號與測量范圍和顯示分辨率相一致。
    (4)具備直接插入損耗測量功能。

2 實驗器件
    光功率計探頭(光電傳感器)，P89V51單片機實驗板，RC低通濾波電路，TL074，CS5550，導線若干。

3 各功能模塊詳解

3．1 光功率計探頭
    光功率計探頭，是光信號轉換為電信號的核心部件。探頭帶有光電傳感器，用來接收被測光源的輻射并將其轉換為電流信號。探頭采用雙線正負兩個端口輸出。當被檢測光源強度發(fā)生變化時，傳感器輸出的電流會隨之改變。我們通過對電流量變化進行轉換分析最終獲得外部光源的光功率變化參數(shù)。
3．2 I／U變換
    光功率探頭輸出小電流信號。電流信號與電壓信號相比，長距離傳輸抗干擾性能較好。但是由于本次試驗距離較短，同時為了與后面電壓放大器相匹配，所以要轉換為電壓信號。連接時，光功率探頭的輸出正端口接入轉換電路輸入端，負端口與I／U變換電路共地連接。圖2電路圖中，J1為檔位調(diào)節(jié)開關。

3．3 運算放大電路
    將電壓信號通過儀用放大器進行放大。儀用放大器設計簡單、放大效果好并且能夠通過滑動電阻調(diào)整增益，便于實時調(diào)節(jié)電壓信號、保護ADC芯片的輸入量程、保護電路等。
    關于放大電路和I／U信號轉換電路中運放芯片的選取，本設計采用TL074芯片。TL074芯片低功耗，低成本，擁有較低的輸入偏置和低噪聲，高輸入阻抗及電流補償，同時是具有內(nèi)部頻率補償?shù)囊豢畛Ｒ娦酒ｋ娐吩O計如圖3所示。

    圖3中電阻阻值R11=R10=R=R13=R12 R7=R9
    輸出電壓表達式：
   
3．4 低通濾波器
    由于光電信號的變化屬于低頻范圍，并且通過放大器引入的噪聲不大，頻率成分比較單一，濾波器階數(shù)不需要太高，所以普通有源低通濾波器就可以滿足實驗的去噪要求。
3．5 AD轉換電路
    由于光信號為低速信號，我們選用CS5550與單片機相連接。
    CS5550是CIRCUS LOGIC公司出的一款雙通道△-∑串行AD芯片。芯片具有促進補償和校準增益的功能。同時，具有SPI數(shù)字雙向串行接口可以與單片機等MCU設備連接通訊。
    CS5550串行端口與配有收發(fā)緩沖器的狀態(tài)機相配合。由狀態(tài)機負責在SCLK的上升沿翻譯8位字節(jié)命令。ADC的工作都是由內(nèi)部24位寄存器所控制。
    8位讀寫命令告訴狀態(tài)機是否進行寄存器的訪問。在讀出操作時，對應寄存器被載入芯片的輸出緩沖器，同時在時鐘SCLK的控制下輸出。在寫入操作時，數(shù)據(jù)在時鐘控制下寫進輸入緩沖器，所有24位數(shù)據(jù)在第24個SCLK之后完全轉換入對應寄存器。
    SPI串行總線接口
    CS5550串行總線包括四個控制線：CS，SDI，SDO和SCLK。CS作為芯片選擇控制，用于使能對于串行接口的訪問。當CS為低電平時，端口成為SPI總線端口。SDO用作串行輸出，用于輸出被AD轉換器轉換后的數(shù)據(jù)信號。當CS置為高電平時，SDO的輸出成高阻狀態(tài)。SCLK用作串行總
線時鐘，控制數(shù)據(jù)進出ADC的串行端口。只有在CS為低電平之后，SCLK的變化才可以被端口邏輯所識別。

    關鍵代碼如下：
    


  
3．6 P89V51單片機
    選用PHILIPS公司生產(chǎn)的P89V51RD2芯片。該芯片擁有80C51型號CPU，四個八通道I／O口，三個16位定時計數(shù)器，可編程看門狗定時器，片內(nèi)64KFLASH MEMORY等。單片機的P2口接CS5550的八位輸出端。

3．7 單片機串口通訊
    將實驗測量結果通過串口發(fā)送到PC中進行軟件處理，繪制圖線等，可以得到更加準確的光功率值。如MATLAB軟件可以將其單位轉化為dB形式，并將變化曲線描繪出來，從而更加直觀地看到測試結果。也可以利用LabVIEW軟件制作一個虛擬的顯示屏，從而實時顯示測量結果。
    串口發(fā)送函數(shù)：
   
   

4 光功率計的發(fā)展前景
    光功率計用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗。在光纖系統(tǒng)中，光功率的測量十分重要。通過測量發(fā)射端機或光網(wǎng)絡的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設備的性能。將光功率計與穩(wěn)定光源組合使用，能夠測量連接損耗、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。

5 結束語
    實驗結果數(shù)據(jù)校正需借助專業(yè)光功率計。將測試結果與光功率計的真實測量結果進行修正和擬合，我們發(fā)現(xiàn)在光強變化緩慢的情況下，實驗結果與真實值相近，符合實驗要求。但是在高頻測量場合效果不理想，需要高性能的光感探頭和高速AD轉換器。