基于USB的虛擬光功率計(jì)的設(shè)計(jì)
引言
光功率計(jì)可用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率的相對損耗。在光纖系統(tǒng)中，測量光功率是最基本的，這非常像電子學(xué)中的萬用表。在光纖測量中，光功率計(jì)是最常使用的一種測試儀器,通過測量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對功率，一臺光功率計(jì)就能夠評價光端設(shè)備的性能;用光功率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用,則能夠測量連接損耗、檢驗(yàn)連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量;任何光纖傳輸系統(tǒng)的生產(chǎn)制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)，光功率測量是必不可少的。在光纖領(lǐng)域，沒有光功率計(jì)，任何工程、實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間或網(wǎng)絡(luò)維護(hù)設(shè)施都無法工作。從電子測量儀器發(fā)展史看，經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器等過程。虛擬儀器可通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體,從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，因而大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。因此，采用虛擬儀器技術(shù)很符合對儀器易用廉價的要求。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理
所謂虛擬光功率計(jì),就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)和定義其功能，具有虛擬面板，其測試功能可由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果。虛擬儀器可以利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處現(xiàn)；并利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。
虛擬光功率計(jì)的構(gòu)成方式如圖1所示，它包括四個模塊，下面將分別介紹其主要模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)光功率的測試目的。
2 主要模塊電路設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)
虛擬光功率計(jì)的數(shù)據(jù)釆集采用的是圖2所示的程控比例放大電路，圖中的光電二極管采用北京海特光電生產(chǎn)的PIN30613,該光電管工作于光伏方式，此電路可以避免PN結(jié)正向電流(即暗電流)帶來的影響并使光電二極管得到最佳的信噪比,被放大的信號只與光強(qiáng)成正比。
電路中的放大芯片采用MAX4238,其輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫漂系數(shù)等參數(shù)都非常符合設(shè)計(jì)要求,使用零偏負(fù)反饋電路把光電二極管轉(zhuǎn)換出來的電流信號用程控負(fù)反饋放大電路把電壓信號進(jìn)一步放大到后續(xù)電路所需要的量程，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。放大電路采用量程自動切換是實(shí)現(xiàn)自動測量的重要組成部分，它使測量過程自動迅速地選擇在最佳量程上,這樣既能防止數(shù)據(jù)溢出和系統(tǒng)過載，又能防止讀數(shù)精度損失。
2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)儀器測試精度的重要組成部分口：，根據(jù)測試誤差3%的要求，本系統(tǒng)采用了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715,它是三線串行可控A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號從AIN+口輸入，單片機(jī)對采集的信號進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算后通過對CD4051發(fā)送控制指令來選擇不同的反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)對大信號輸入采用小放大倍數(shù),對小信號則采用高放大倍數(shù)，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動地選擇合適的增益以達(dá)到自動量程選擇的目的。放大信號通過串行口AIN+進(jìn)入AD7715,輸出的信號送到控制芯片和USB接口芯片，通過上位機(jī)LabVIEW控制軟件去上位機(jī)顯示。
由于采用了AD7715作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,通過測試表明:該儀器的測試精度可以達(dá)到2%,符合高精度測試儀表的要求,具有很高的實(shí)際使用價值和參考價值。圖3所示是其A/D轉(zhuǎn)換電路圖
3 AN2131的軟件設(shè)計(jì)
由廠家提供的AN2131軟件開發(fā)包為芯片的軟件設(shè)計(jì)提供了比較完備的程序框架和例程庫,其軟件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。
AN2131固件應(yīng)該要完成USB通訊協(xié)議的基本功能，并接受主機(jī)的要求，控制后端AD、DA芯片完成測試任務(wù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過USB總線發(fā)回主機(jī)瓦。圖5列出了基本框架流程。首先它將初始化內(nèi)部狀態(tài)變量，然后，調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。從該函數(shù)返回后，框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔Is進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉，直到端點(diǎn)0接收到一個SETUP包。一旦檢測到SETUP包,框架將開始交互的任務(wù)調(diào)度，其任務(wù)調(diào)度如下：
首先是調(diào)用主函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能；
其次，判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求等待處理。如果有，則分析該請求并響應(yīng)之；
三是判斷USB內(nèi)核是否接收到USB掛起信號，如果接收到，則調(diào)用掛起函數(shù)TD_Suspend()。從該函數(shù)成功返回后(返回值為TRUE),再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件;如果未檢測到，則處理器進(jìn)入掛起方式，如果檢測到，則調(diào)用喚醒函數(shù)TD_ResumeO,程序繼續(xù)運(yùn)行。假如從TD_Suspend()函數(shù)返回為FALSE,則程序繼續(xù)運(yùn)行。
4 LabVIEW界面
在LabVIEW開發(fā)平臺下，圖形編程語言中的基本編程單元是VI(VirtualInstrument，虛擬儀器)，VI包括三個部分:前面板(FrontPanel)、框圖程序(Block-Diagram)以及圖標(biāo)(Icon)/連接器(Connector)。
5 虛擬光功率計(jì)前面板
本虛擬光功率計(jì)的前面板開發(fā)窗口如圖6所示。
前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，輸入量稱為控件(Controls),用戶可以使用多種圖標(biāo),如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、文本框、圖形等,創(chuàng)建一模一樣的控制面板。
本虛擬儀器的最終效果如圖7所示。其中包括一個波形Graph指示器，可用以顯示輸出波形及數(shù)據(jù)表格，同時還有幾個開關(guān)。
6 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一個用以實(shí)現(xiàn)光功率測量的數(shù)據(jù)采集卡,研究了USB通訊協(xié)議和WDM驅(qū)動結(jié)構(gòu)，并且編寫了實(shí)現(xiàn)USB傳輸功能的單片機(jī)固件和計(jì)算機(jī)端的系統(tǒng)驅(qū)動程序。利用LabVIEW與NI-VISA實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的USB接口數(shù)據(jù)釆集板與主機(jī)的通訊，編寫了虛擬儀器程序?qū)崿F(xiàn)光功率計(jì)的功能。測試結(jié)果表明：所開發(fā)的基于LabVIEW和USB接口的虛擬光功率計(jì)可以正常運(yùn)行,其采樣速度為500次/s,系統(tǒng)總體誤差在2%以內(nèi)。整個系統(tǒng)可以在硬件和軟件方面進(jìn)行一些升級改動，以實(shí)現(xiàn)不同的測量功能。
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