基于MSP430的光万用表设计与实现

2011-09-07周启平

计算机工程与设计 2011年7期

石岩，宛涌，周启平，邝坚

(1.中国科学技术大学软件学院，安徽合肥230001；2.北京邮电大学北京市智能通信软件与多媒体重点实验室，北京100876)

0 引言

MSP430系列CPU是德州仪器公司推出的超低功耗RISC混合信号处理器，该微处理器工作电压1.8V-3.6V，工作电流视不同模式为0.1uA-400uA，很大程度上节省了系统功耗，同时还具有丰富的片上外围模块，在手持式仪表设备及功耗要求高的仪器设计上应用越来越广泛。

手持式光功率计和光源是电信工程与维护、光通信研究与教学中十分常用的设备，并经常搭配使用。将光功率计和稳定光源组合在一起称为光万用表，它常用来测量光纤链路的光功率损耗。国内采用MSP430设计的光万用表系统设计研究还不多，本设计利用其自带的16位A/D转换器和12位D/A转换器，再加上外围电路，分别实现了光功率测量和稳定光源功能。

1 硬件设计与实现

手持式光多用表采用2节AA电池并联供电，包含1路光测量通道，1路中心波长1310nm的红外光输出通道，同时具有电压监测功能。在硬件组成上以MSP430F4250为核心，其中包括由光电转换器、量程转换、低通滤波电路构成的功率检测模块，由激光器模块和恒流源构成的光源模块，以及电源、USB模块、LCD显示器、键盘等外围模块。整体硬件框架图如图1所示。

1.1 MCU单元

MSP430F4250最大特点在于其内部集成的5通道16位/D转换器，这就为微弱信号的高精度测量提供了硬件基础，本设计中用了2路A/D转换器模块，一路用来测量光功率，一路用来作为电压电源监测。另外，它的内部还集成了可用于控制恒流源的12位D/A转换器，以及32个I/O端口。

图1 系统硬件框架

1.2 电源

本系统采用2节并联的 AA电池通过 DC/DC芯片LTC3400升压到3.3V为系统供电，用户可以仅用1节电池就可以使用这款仪表，十分方便。凌特公司的LTC3400，启动电压低至0.85V，开关频率1.2M，并有高达92%的转换效率，特别适合于便携式仪表的供电。

通常为了满足运放的双电源需要，系统的-3.3V电压一般由专门的集成电路生成，好处是电路设计方便，负载能力较好。但是由于本设计中仅有2个运放用到负电压，需要的电流并不大，而且多用一个集成电路及其外围器件，不仅不利于降低成本而且浪费了本就有限的PCB布线空间。这里创新性的采用了LTC3400和其它器件组成-3.3V的电压产生电路，该电路具有10mA的驱动能力，足够使用，节省了设计成本和PCB空间。如图2所示。

图2 电源模块

为了进一步降低系统功耗，延长待机时间，在LCD屏和运放电源的输入端通过由三极管等器件组成的开关电路，配合软件设计，在需要时可将部分模块的电源切断。

1.3 光电探测电路

光电二极管的探测方式有光电导模式和光电压模式两种。在光电导模式下，需要给光电二极管加上方向偏置电压，存在暗电流，会有较大的噪声；在光电压模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在暗电流，噪声较低，线性度较高。比较后选择光电压模式。基本检测电路如图3所示。

器件选择方面，光电探测器采用武汉昱升公司的YSPD718型，其暗电流约为1nA，响应时间0.5ns，具有线性度高、稳定性高等优点，满足光功率测量的要求。前级运放选用低电压Rail-to-Rail运放LTC2054，它具有高达1T的输入电阻，130dB的共模抑制比，输入偏置电流低于1pA，噪声1.6 Vp-p，温漂低至30nV/℃。

图3 基本检测电路

1.4 I/V转换及程控转换

被测光信号经光电探测器转变成电流信号，然后经前置放大器进行I/V转换，并自动进行量程转换，输出电压信号。此电压信号经过低通滤波后输入到单片机的 ADC输入端进行转换和处理。

光电探测前端电路结构采取光电压模式，这种模式的特点是：光电二极管处于零偏状态，不存在暗电流Id，有较低的噪声，线性好。

量程转换电路由图4中的基本检测电路经过模拟开关，扩展成8路结构上相同的I/V转换电路构成，每相邻两个测量通路上的电阻的阻值相差十倍，使得每相邻两个量程的的测量范围相差十倍，并在每个电阻上并联一个电容，以减小噪声，稳定信号。

图4 测量前端数据流

转换后输出电压设定在0.12V-2.0V，在电压低于0.12V而切换更高量程或高于2.0V而切换至低量程时，可以有0.08V的缓冲余量而避免量程反复切换造成的测量不稳定。另外，当待测电流低于0.01 A时，由于有用信号较弱，不可避免的噪声会使测量值跳动较大，为保证测量的稳定度，第7及第8量程的积分电容比第1～6量程大一个数量级。

1.5 激光光源模块

1.5.1 单波长激光器

本设计采用武汉昱升光器件公司生产的YSLD3118型红外激光器，该型多量子阱F-P腔激光器的阈值电流15mA，中心波长1310nm，稳定性高，线性范围广，适合于手持式光功率计的设计要求其主要参数表如表1所示。

表1 YSLD3118型激光器主要参数

1.5.2 光源驱动电路

激光管工作电流设定在20mA-30mA，为了获得较为稳定的横流源电路，电路采用电压闭环反馈控制方式。当A/D转换器的输出电压Ui一定时，由“虚断可知”激光二极管上D1上的电流 Io=Ic=U0/Ri，由“虚短”可知 Uo=Ui，所以 Io=Ui/Ri，即

仅由运放输入电压Vi确定，因此我们可以通过设定D/A的输出电压来控制发光功率，由于是闭环反馈系统，且采样电阻Ri精度很高，只要在OP07的3脚输入相应的稳定电压可以相应的调整D2的工作电流。

关于电阻Ri的选型：如果过大，则采样功率过高，对其温度稳定要求高，因而成本呈指数提高，且由于激光二极管的工作电压在2V以上，为了保证它的工作电压，Ri上的压降应设计在0.5V，即电阻Ri≦0.5/0.03=；而如果Ri选择过小，则可能造成直流误差以及由于电路增益的增大而造成的噪声增大。综合两种可虑，这里将电阻Ri设置为10欧姆。如图5所示。

图5 光源驱动电路

1.6 LCD显示屏

由于MSP430F4250可直接驱动56段LCD显示屏，也可以普通I/O口作为显示屏的数据总线，在本设计中采用的是P1口。A/D端口采样所得的数据经处理后可直接显示在LCD显示屏上并同步刷新。本例的LCD设计示意图如图6所示。

图6 LCD显示屏

2 软件设计

2.1 系统软件流程

系统软件采用顺序执行、无限循环的方式进行设计，功率计部分由于需要处理的数据较多因而占用了较多的软件资源。在长时间无人操作仪表的情况下，可以设置定时关机或使仪表进入睡眠状态，直到有人操作才可以唤醒系统。软件系统整体流程如图7所示。

图7 系统软件流程

2.2 软件滤波

为了更好的抑制A/D采样过程中的噪声，本设计采用防脉冲干扰平均滤波法。因为采样数据如果过大则浪费了系统资源和有限的RAM空间，而如果采样速率过低则无法保证对被测信号有足够的灵敏度，设计中的A/D采样速率定在20Hz，然后去除3个最大数和3个最小数，对剩余的14个数取平均数作为实测数据。这样就有效的克服因光电探测器及其它因素引起的波动干扰，同时又具有较高的灵敏度。

2.3 量程自动转换

量程转换要解决的主要问题每个量程边界部分的切换不稳定，即当测得数据恰巧超出量程N边界并满足切换条件时，系统将量程N切换到N+1，但是切换后数据仍然处于量程边界，这时很小的数据变化又会导致系统将量程回切到N，这个问题使得测得的数据始终处于不稳定区域，显示的数据来回变化。为了避免出现这种情况，本设计使用了一个巧妙的方法，令量程电压上限为10A，下限为A-P，这样当测得电压Q超过10A时，会因为程序将量程减小一级从而使得测得电压为A，与下限电压有P的间隔，从而实现量程的稳定切换。如图8所示。

图8 量程切换

3 数据处理

使用中电集团四十一所的AV系列台式光功率计作为标准仪表，输出波长设为1310nm，数据进行记录如表2所示。

表2 功率模块实测数据

从表2中可以看出，这款万用表的光功率测试不确定度小于0.3dBm，完全符合手持式光功率计的要求。误差主要来源于光电二极管自身的一致性误差以及测量范围的边界线性误差，通过在软件上进行校正可以取得更好的测量效果。

为了对初测数据进行线性校正，本设计不直接对测量数据进行校正，而是用Matlab软件对测量值与标准值的比值R=Pt/Ps，进行线性拟合，得到比例系数= +，则最终测量结果为。其中，Pt是多个探测器的测量值平均值。如图9所示。

图9 测量值与标准值比值R的线性拟合

实际测量中，光测量模块线性度良好，不确定度低于0.3dBm。而光源模块功率可在0dBm到-65dBm之间进行调节，输出红外光稳定性较高，完全符合实际工程使用要求。

4 功能扩展

除了前文所述已实现的功能外，还可以利用剩余的3路A/D转换器对仪表功能进行扩展，设计成2-4个测量通道的光功率测量系统。另一个实用的扩展是加上USB通信功能，这样便可利用PC机实时监控光万用表测量情况，或者进行数据采集，使得测量系统的数据处理能力更加强大。这里使用的USB管理芯片是南京沁恒电子的CH375，该芯片支持USB2.0通信协议，并且易于使用。

5 结束语

本文针对基于MSP430的手持式高精度光万用表给出了软硬件设计实现方法，系统充分利用了超低功耗单片机MSP430的片上资源，实现了几个实用的功能，并且整体特性良好。在实际测量中，该仪表内部光源稳定、可调，光功率测量精准，其分辨率0.01dBm，在仅使用光功率测量功能时，工作电流小于20mA，功耗极低，使用单节AA电池即可工作，减轻了仪表重量。同时仪表还具有可扩展USB通信功能，可以实现对待测光纤通路的远程实时检测，提高了产品的附加值，符合现代手持式智能仪表的要求，具有较高的市场前景。

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