基于STM8的激光功率计的设计

于宝堃　李星宇　李玉洁　张达强

摘要：设计了一种基于STM8的激光功率计的硬件结构和固件程序，并对系统的误差进行了分析。该功率计采用STM8S208MBT作为微控制器，通过PIN硅光电二极管实现光信号到电信号的转换，并利用运算放大器对信号进行转换、放大和滤波；同时，采用16位模数转换芯片AD7606-4，以保证系统的测量精度。通过LCD显示屏，用户可实时获得测量结果。实际测试结果表明：该功率计成本低，测量精度高，满足工程中对激光测量的要求。

关键词：STM8；PIN硅光电二极管；滤波；AD7606-4

中图分类号：TN98 文献标志码：B 文章编号：1009-3044（2018）15-0266-03

Design of Laser Power Meter Based on STM8

YU Bao-kun，LI Xing-yu，LI Yu-jie，ZHANG Da-qiang

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300457， China）

Abstract： This paper designed the hardware structure and firmware program of a kind of laser power meter based on STM8， and analyzed the system error. The laser power meter used STM8S208MBT as micro-controller， with the use of PIN silicon photodiode to realize photoelectric conversion. By the use of operational amplifiers， it completed the transform， amplification and filter of the signal. At the same time， a 16-bit A/D conversion chip AD7606-4 was used to ensure accuracy of system. User can get measurement result of system in time by LCD display. The actual test results showed： the laser power meter has the advantages of low cost， high precision， which can meet demand of laser measurement in engine.

Key words： STM8； PIN silicon photodiode； filter； AD7606-4

随着半导体工业的快速发展，激光技术已在通信、测量、验钞等领域得到了广泛的应用。而激光功率作为激光源的一项重要参数，决定了激光源的性能，如何快速检测激光源的功率已成为信号检测领域的研究热点。针对目前市场上激光功率计价格高、测量波长范围较小、测试精度低等缺点[1]，设计了一款基于STM8的高精度便携式激光功率计，通过LCD显示屏，可实时显示所测激光的功率，能满足用户对激光测量的要求。

1 系统的工作原理

系统主要由光电转换模块、I/V转换模块、滤波电路等七个主要功能单元所组成，如图1所示。光电转换模块将激光信号转换为电流信号并传送给I/V转换模块，而电流信号经过I/V转换模块和滤波电路的电流电压转换、信号放大、滤波等处理后，转变为电压信号，再由A/D转换模块进行模数转换后，将16位数字信号传输给微控制器。微控制器对获得的数据进行计算后，将最终的激光功率值通过LCD显示模块呈現给用户，用户也可以通过LCD显示模块对所测激光波长进行选择。系统设计要求为：可测波长范围：400nm～1000nm，功率测量范围：1nW-10mW，测量误差控制在5%以内。

2 系统的硬件组成

2.1 光电转换模块

为了将激光信号转换成电信号，需要利用光电转换模块完成这一任务。常用的光电转换模块有光电倍增管、PIN硅光电二极管、雪崩光电二极管等。PIN硅光电二极管[2][3]是一种利用轻微掺杂N型材料的本征区，将P型材料区和N型材料区进行隔离的二极管。在反向电压作用下，PIN硅光电二极管的反向电流与光照强度相关。

美国的VISHZAY、日本的滨松等国外半导体公司，在PIN硅光电二极管领域具有大量的产品，虽然这些产品性能较高，但价格也较高，因此，本设计采用深圳龙信达公司生产的LXD-44MQ型PIN硅光电二极管，其成本低、性价比较高，满足设计的要求，具体参数为：反向工作电压VR的最大值为30V，暗电流Id为5nA（反向工作电压为1V），结电容为20pF（反向工作电压为0V），光谱响应范围为200-1100nm，峰值波长为720nm。图2为该器件的光谱响应图，从中可以看到光灵敏度与激光信号的波长呈现非线性关系，在波长为720nm处达到最大，因此，在利用光灵敏度计算激光的功率时，需要根据所测激光的波长，利用不同的光灵敏度，来计算出真实的激光功率。

2.2 I/V转换电路

由于PIN硅光电二极管接受光照后，只能产生电流信号，为了能够进一步对采集到的信号进行处理，需要使用I/V转换电路将电流转换成电压，图3所示为转换电路[4]，该电路采用运算放大器ADA4625-1作为跨阻放大部分的核心器件。由于本设计所使用的PIN硅光电二极管产生的电流非常微弱，电流跨度也较大，在0.2nA-3.75mA之间动态变化，因此，I/V转换电路在对信号进行放大的基础上，还应具备将这一跨度较大的电流进行分段放大的功能，从而满足A/D转换电路对输入信号的要求。在实际设计中，采用两个不同的反馈通道满足这一需求，并通过开关电路ADG633对反馈通道进行选择，虽然开关电路存在52Ω的输出阻抗，由于系统所使用的A/D转换模块具有较大的输入阻抗，在实际应用中，可忽略输出阻抗对后续电路的影响。

2.3 滤波电路

由于系统自身以及外部噪声的影响，需要对I/V转换电路的输出信号进行滤波处理，图4所示的电路为系统的滤波部分，该电路采用了二阶巴特沃斯结构[5] [6]，电路的截止频率为10KHz，所使用的运算放大器为ADI公司的AD8622，它具有低噪声的特点，可以满足系统的设计要求。在设计电路时，采用ADI公司的在线模拟滤波器设计工具，缩减了设计周期，降低了设计难度。

路

2.4 微控制器

系统使用ST公司生产的STM8S208MBT微控制器作为核心部分，STM8S208MBT是一款基于8位框架结构的微控制器，其内部CPU采用哈佛结构并带有3级流水线，最高工作频率可达24MHz，具有128K字节的Flash存储器，6K字节的RAM ，2048字节的数据EPROM存储器[7]。STM8S208MBT可以采用不同类型的时钟作为主时钟，为了降低外部晶振带来的噪声并减小PCB电路板的尺寸，采用其内部的16MHz高速RC振荡器作为主时钟。

STM8S208MBT还具备68个可配置的GPIO接口和丰富的外设功能[8]，以满足系统扩展的需求。

2.5 A/D转换电路

为了能将系统所采集到的模拟信号传输给微控制器，需要将模拟电压信号转换成数字信号，虽然微控制器内部带有10位精度A/D转换模块，但其精度较低，不能满足设计要求，因此本系统采用ADI公司生产的AD7606-4型数模转换芯片来完成这一任务。AD7606-4包括四路同步采样输入，5V单模拟电源供电，输入具有钳位保护，片内包含具有1M模拟输入阻抗的输入缓冲器、二阶抗混叠模拟滤波器、16位的200kSPS A/D转换通道[9]，其输出接口包括多种形式，本设计采用其SPI输出模式，将数据传输给STM8S208MBT。

2.6 LCD显示电路

作为系统与用户进行互动的媒介，LCD显示电路采用LCD1602模块进行设计，以显示系统的操作界面与测量结果。LCD1602模块与微控制器STM8S208MBT之间采用8位总线的方式进行通信，其中LCD1602模块的数据总线D7～D0分别与STM8S208MBT的PB7～PB0相连，而使能控制端E、读/写选择端R/W和数据/命令选择端RS则分别与STM8S208MBT的引脚PF4、PF3、PF0相连。

3 系统的软件设计

系统在IAR Embedded Workbench开发环境下进行软件设计，该开发环境提供了STM8开发包，极大地提高了开发效率。系统软件工作流程如图5所示，由于400nm-1000nm之间的激光源并非所有都为常见，因此，本系統所测激光为常见的635nm红光、520nm绿光、450nm蓝光等。在完成微控制器初始化等工作后，系统采用1.24KΩ电阻和22pF电容并联所形成的电路作为默认的反馈通道，当微控制器采集到的电压数据小于12mV时，自动切换到另一通道，以最佳的量程来获得数据。在系统进行测量之前，还需要设定被测量激光源的波长，实际上是设定相应的光灵敏度λ。

由于微控制器采集到的信号经过I/V转换与放大，在计算激光功率时，采用式1-1，其中U表示微控制器采集到电压值，A表示放大倍数（与所选I/V转换电路的反馈电阻相对应），P表示激光功率。在完成计算后，结果将会显示在LCD1602中。

P = U/A*λ （1）

4 系统测试

在完成系统设计的基础上，需要对系统进行测试，选用常见的635nm红光、520nm绿光、450nm蓝光作为测试光源，并与标准功率计进行对比，如表1所示。

通过测试结果可以看出，虽然在较高功率测得的绝对误差较高，但本功率计的所有测量结果的相对误差均满足小于5%的设计要求，因此，本功率计可在工程中进行使用。

5 结束语

本文设计并实现了基于STM8的激光功率计，系统以PIN硅光电二极管和STM8S208MBT作为核心器件，通过光电转换、I/V转换、信号放大、滤波等操作，实现了对635nm红光、520nm绿光、450nm蓝光等400nm～1000nm范围内的常见激光源的功率检测，功率计的测量范围为1nW～10mW。系统具有成本低，测量精度高等特点，可满足工程中对激光测量的要求，具有广阔的使用价值。

参考文献：

[1] 雷卫宁.基于ARM的便携式高精度激光功率计设计[J].电子测量技术，2014，37（4）：96–99.

[2] Robert G..Hunsperger.集成光学理论与技术[M].叶玉堂，译. 6版.北京：电子工业出版社，2016：222–225.

[3] 杨军.基于PIN光电二极管的光功率计设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[4] Jerald Graeme.光电二极管及其放大电路设计[M].赖康生等译.北京：科学出版社，2012：38–45.

[5] Arthur Williams.模拟滤波器与电路设计手册[M].路秋生，译.北京：电子工业出版社，2015：78–86.

[6] 刘建朝.微弱激光功率计研究[D].天津：河北工业大学机械工程学院，2007.

[7] 高显生，彭英生.STM8实践[M].北京：机械工业出版社，2016：1-16.

[8] 吴细煌.基于CAN总线的车辆数据采集及显示系统研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[9] 王水鱼，王伟.基于AD7606的智能电网数据采集系统设计[J].微型机与应用，2016，35（22）：8-10.