基于Wi-Fi通讯的大功率光功率计的研制*

隋成华,徐之力,徐丹阳

(1.浙江工业大学光学与光电子研究中心,杭州 310023;2.浙江工业大学生物与医学物理信息技术协同创新中心,杭州 310023;3.浙江工业大学理学院,杭州 310023)

光功率计是用来测量光功率大小的仪器,既可用于光功率的直接测量,也可用于光衰减量的相对测量,大功率光功率计是激光加工、激光熔覆和激光武器等领域中研究、开发、生产以及维修等部门必备的基本测试仪器[1-3]。随着光电检测技术和传感器技术的发展,对便于携带,操作简洁,精度高的光功率计的需求与日俱增[4-7]。目前市场上的光功率计,大多采用串口、USB2.0以及蓝牙的通信方式。串口及USB通信必须要使用传输线,无法实现移动式测量。蓝牙是一种短距离无线通信技术,但其只能实现点对点传输,连接不够稳定,传输速度较慢。此外,目前市场上的光功率计,大多具有测量功率值低,精度不高,动态范围小,档位切换繁琐等缺点,因此设计了一款基于Wi-Fi通信,以STM32为微控制器,采用热电堆探测器来实现热电转换,满足在0.19 μm～15.0 μm波长范围内实现100 mW～100 W的激光功率测量,并利用多通道模拟开关CD4051,N沟道场效应管A03042和微功耗、低噪声、斩波稳零的运算放大器MAX4238实现测量功率范围内的量程自动切换,同时还具备了通过脉冲宽度调制(PWM)与0～5 V模拟信号电压输出方式去反馈控制激光器输出强度,以及外触发功能的光功率计[8-13]。该光功率计采用STM32内置的12位ADC来实现模数转换,通过ESP8266Wi-Fi模块同其他设备通信,进行数据传输,同时支持USB通信。

1 系统整体方案设计

光功率计整体设计方案如图1(a)所示,电路设计原理如图1(b)所示。热电堆探测器将检测到的光信号转变为电压信号,电压信号经过放大和滤波处理后由STM32的内置的12位ADC进行模数转换。利用STM32判断转换数据的大小并控制放大电路切换到合适的量程以获得可供计算显示的数字量,通过ESP8266Wi-Fi模块支持Windows系统和IOS系统通信并通过APP显示测得的功率值,还可通过USB连接LCD屏幕进行数据显示。同时通过脉冲宽度调制(PWM)与0～5 V模拟信号电压输出方式去反馈控制激光器输出强度,利用外触发功能可以实现功率的单步测量等功能。

图1 整体设计方案

2 光功率计硬件实现

2.1 热电堆探测器

热电堆传感器的工作原理如图2所示。当激光束击中热电堆传感器的表面,入射辐射被所覆层吸收并转化为热。然后,该热量流经从顶面至底部的传感器,从而导致整个传感器的温度差。由于热电效应,温差引起的电压施加到传感器元件内积聚。该输出电压是正比于入射辐射的功率。热电探测器的表面通常镀有吸收涂层,吸收涂层决定了检测到的辐射的光谱范围。当使用具有平坦光谱的宽带吸收器时,热电堆传感对所有波长的辐射敏感。

图2 热电堆传感器的工作原理图

入射到检测器表面的激光功率与检测器的电压输出成比例。其单位mW,并且使用式(1)计算:

φ=U/Z

(1)

式中:U代表探测器的输出电压,单位是V;Z是检测器的辐射灵敏度,单位是mV/W。激光功率检测器的灵敏度取决于使用它们的温度水平。使用式(2)计算检测器的温度校正灵敏度:

Z=Z0+(T-T0)ZC

(2)

式中:Z0是校准温度和校准波长下的辐射灵敏度,单位为mV/W;ZC是辐射灵敏度的线性校正因子,单位为(mV/W)/℃;T0为校准温度(通常为20 ℃),单位为℃。T是散热器温度水平,可以用温度传感器测量,单位为℃。

热电堆功率探测器可以检测0.19 μm～15.0 μm波长范围,满足100 mW～100 W激光功率测量,并且内部集成EEPROM存储校准数据。设计中选择国外某公司的热电探测器,其主要性能指标如表1所示。

表1 热电探测器主要性能参数

2.2 信号采样及AD转换电路

光功率计的输入信号动态范围通常比较大,为了提高测量精度,智能仪器根据测量范围设置多个量程,并能在各个量程上自动切换。量程自动转换的过程,就是微处理器根据输入信号的大小,自动选择程控放大器的放大系数或程控衰减系数,使经过处理后的输出电压能满足ADC对输入的要求。热电堆探测器输出的信号非常微小,因此选用程控放大器来控制信号放大倍数,从而实现量程的自动选择[14-15]。程控放大器一般由模拟开关、电阻网络、运算放大器及控制电路组成。根据可以测量的光功率范围将量程划分为6段,因此选用美国无线电公司生产的CD4051,它是一种具有低截止漏电流和低导通阻抗的单端双向8选1模拟开关。对于高档量程,由于反馈电阻较小必须要考虑模拟开关导通电阻的影响。为了提升高量程的选择灵敏度,设计中采用导通电阻足够大的N沟道增强型场效应管A03402代替导通电阻较小的通道。运放MAX4238的反向输入和输出端通过反馈电阻连接。STM32通过控制PB0,PB1,PB2的状态选通I2,I3,I4,I5的导通或闭合,同时判断输入的信号大小控制A3和A4的通断,实现量程自动切换,且每个通道呈10倍递增关系[16-17]。程控放大原理图如图3所示。

图3 程控放大原理图

图4 ESP8266状态机图

探测器检测到的信号经过程控放大电路后送入STM32进行AD转换,STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

2.3 Wi-Fi通讯模块设计

ESP8266Wi-Fi模块主要用于短距离的数据无线传输领域,便于具有Wi-Fi功能的PC机相连,也可以实现两个模块之间的数据互通。此模块遵循TCP/IP协议,完全遵循802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC协议和Wi-Fi Direct标准,支持UART接口,自身内置了存储控制器,包含ROM和SRAM,支持使用SPI接口的外置Flash最大支持16 Mbyte的SPI Flash。具有高度集成、低功耗、性能稳定等优点[18-19]。可以应用在家庭自动化、传感器网络、无线位置感知设备和可穿戴电子产品等方面。

ESP8266状态机图如图4所示。上电后Wi-Fi模块会进入待机模式或者回连模式。当Wi-Fi模块进入待机模式时,进行开机和正常待机超时设置,接下来判断是否连接成功。如果连接成功则进入连接模式;如果连接失败判断待机时间是否超时,若未超时则重新进行开机和正常待机超时设置,若超时则进入空闲模式。当Wi-Fi模块进入回连模式时进行回连超时设置,当设置成功判断设备是否连接成功。如连接成功则进入连接模式;若连接失败判断回连是否超时,如果回连超时则进入待机模式;如果回连未超时则重新进行回连超时设置。当Wi-Fi模块处于连接模式即可进行数据的传输。如果因为连接丢失导致Wi-Fi断开,则进行连接丢失设置,可以设置为待机模式或回连模式;如果由于远程设备掉落而导致Wi-Fi断开,那么Wi-Fi模块进入待机模式;如果由于主机MCU丢弃导致Wi-Fi断开,则Wi-Fi模块进入空闲模式。

Wi-Fi模块串口电路如图5所示。短按开关唤醒,当5号引脚为低电平时串口配置使能有效。当Wi-Fi模块处于串口工作模式时,1号引脚为串口数据输出引脚,2号引脚为串口数据输入引脚。通过配置13号引脚的电平信号,可以设置Wi-Fi断开连接进入空闲模式,配置14号引脚的电平,可以设置Wi-Fi断开进入配对模式。

图5 Wi-Fi模块串口电路图

图7 Wi-Fi模块机械结构图

2.4 结构设计

设计的光功率计的硬件结构包括探头部分和Wi-Fi模块两部分,这两部分通过航空插头GX12-5连接在一起并用螺丝固定。光功率计探头部分机械结构如图6所示,探头部分设计有热电探测器和散热装置。因为采用的是热电堆探测器,为防止因为温度过高而导致探测器损坏的情况发生,因而在探测器底部设计有散热器和风扇进行散热。Wi-Fi模块机械结构如图7所示,因为金属壳对信号有屏蔽作用,所以金属壳体之外引出一根天线提升信号强度。除支持Wi-Fi传输外,模块还配有USB接口支持和表头的数据连接。光功率计整体机械结构如图8所示。

图6 探头部分机械结构图

图8 光功率计整体机械结构图

3 软件的实现

3.1 STM32控制流程

光功率计上电后首先进行MCU和Wi-Fi初始化操作。STM32初始化包括初始化系统时钟、外部中断、端口等操作。选择设置的波长和默认档位后,STM32开始对探测器输出的电压信号进行模数转换,选择合适的量程计算出测得的光功率值。经过Wi-Fi初始化操作后,Wi-Fi处于工作状态等待从STM32传输过来的数据并送入到远程设备显示,目前Wi-Fi支持同Windows系统和IOS系统通信。此外,设计的光功率计还支持USB数据传输方式。MCU主程序流程图如图9所示。

图9 MCU主程序流程图

图10 量程自动切换流程图

3.2 量程自动切换控制流程

热电堆探测器的测量范围为100 mW～100 W,设计中将量程划分为6段。量程自动切换流程图如图10所示。根据模数转换后的数值和默认的量程进行判断,若转换后的数值小于设置的参数,接下来判断当前档位是否为最低档位。如果当前档位不是最低档位则进行减档位操作,如果当前档位是最低档位,表明此时测得的信号不在探测器的探测范围。若转换后的数值大于设置的参数,接下来判断当前档位是否为最高档位。如果当前档位不是最高档位则进行加档位操作,如果当前档位是最高档位,表明此时测得的信号已经超过探测器的探测范围,此时很有可能会使得探头损坏。

4 实验结果

为了验证设计的光功率计是否可以准确测量激光功率,需要对其进行校准。方法如下:使用额定功率为10 W的激光器分别在1 064 nm及10 640 nm波长下分别用30%、50%和70%强度的光同时入射标准光功率计和设计样机,分别记录测量数据并进行比较,测得的数据见表2和表3。从测得的数据看,设计的光功率计和标准光功率计的误差控制在2%以内,可以准确地测量激光功率。

表2 1 064 nm激光测试数据

表3 10 640 nm激光测试数据

5 总结

介绍了一种基于Wi-Fi通讯的大功率光功率计的设计原理和实现方法。该光功率计以STM32为微控制器,使用热电堆探测器来实现热电转换,实现测量功率范围内的量程自动切换。同时,采用STM32内置的12位ADC来实现模数转换,支持ESP8266Wi-Fi和USB传输模式同Windows系统和IOS系统通信。实际测试得到的数据表明,设计的光功率计和标准光功率计的误差小于2%,可以准确地测量激光功率。并且通过脉冲宽度调制(PWM)与0～5 V模拟信号电压输出方式去反馈控制激光器输出强度,利用外触发功能可以实现功率的同步测量等功能。该光功率计不但可以很好地满足工程应用中大功率激光器输出功率的检测与控制,并且实现了基于Wi-Fi无线通信方式的移动式测量。