基于MSP430F2272单片机的多路光功率计的设计

    光通信中，需要对光纤中的载体光信号强刺进行准确测量，而光功率计就是基于此设计的能检测出光纤信号源功率的仪表，是光纤通信工程实际应用和各种科学实验不可缺少的测量仪器。
    光功率计的核心运算和控制器件通常选用5V供电的C51系列单片机，系统功耗相对来说较高C51系列单片机本身没有集成A／D转换模块，信号采集后的A／D转换需要外接芯片，不仅占用单片机的I／O端口，而且增加功耗，对于功耗要求高的场合(比如户外)就不适用。并且市场上通用光功率计基本都是单路测量，需要对多个光信号测量时只能不断切换，比较繁琐且容易损坏器件接头。
    本设计采用MSP430F2272单片机实现多路光功率的测量。MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处里器(Mixed Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、开发方便等优点，有很高的性价。MSP430F 2272的供电电压只需1．8V～3．6V，其中2．2V／1 MHz时的电流只有270μA。系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期只有62．5ns，也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能和低功耗的选择。片上集成了10-bit 200kbps的A／D转换器且含有具有3个捕获比较奇存器的16位定时器TimerA、TimerB，4个8位并行复用端口，其中P1，P2口有中断能力。拥有32kB+256B Flash Memory，1 kB RAM，支持JTAG在线编程和仿直调试。

1 设计原理
    目前通用的光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式，利用黑体吸收光功率后温度的升高米计算光功率的大小。这种光功率计光谱响应曲线平坦、准确度高，但是成本高、响应时间长，一般被用来作为标准光功率计。另一种办法是半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应，将光信号转化为电信号来计算光功率的大小。一般通用的光功率计郁采用第二种方法选用PIN光电探测器通过光电转换实现光功率的测量。
    本设计把被测的光信号通过光电探测器(PIN)的半导体PN结光电效应转换为电流信号，经过I／V转换并放大后的电压信号被送入单片机片上集成的A／D转换器转换为数字信号，并在单片机内运算处理后在液晶上面显示出测量结果。图1是原理框图。

    由于模数转换器也集成在片上，而本身MSP430系列单片机的超低功耗特性使得整个系统功耗比较低，可以选择外接电源供电或者电池供电。

2 功能实现
    整个系统主要由电源管理模块，信号采集模块，A／D转换和数据运算处理模块，液晶显示模块构成。软件在IAR Embedded Work-bench平台上设计调试。
2．1 电源管理
    系统是基于低功耗的，所以对于系统供电可以选择外接适配器电源也可以选择电池，为此设计了电源管理系统，如图2所示。

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    当电池供电时，P沟道MOS管的的漏源极外接二极管导通，同时电源管理芯片LTC4412开始工作，使P沟道MOS管导通，工作于饱和区，把漏源压降降到20mV，此时电池给负载供电，即使外接电源掉电系统也可以正常工作。
    当外接电源接通后，肖特基二极管导通，负载电压高于电池电压，LTC4412 SENSE引脚电压拉高，LTC4412关闭P沟道MOS管，使其工作于截止区，即使接有电池，负载电流也全部来自通过肖特基二极管的外接电源。此处不用硅二极管代替肖特基二极管，因为其正向导通压降(0．7V)大于肖特基二极管(0．4V)，会产生较大功牦，容埸发热。
    在电池和外接电源之间接充电芯片LTC4002和对应电路，就实现了整个电源管理系统。设计中电池选用了7．4V 可充电锂电池组。外接电源适配器是8．4V，1A输出的AC-DC电源。当电池电量不够时外接电源通过LTC4002对电池充电并给负载供电。
2．2 信号采集
    待测的光信号被光电探测器转换为电流信号本设计中探测器选用了武汉显升光器件公司的YSPD728 C6，可探测800～1700nm波长，最大强度+30dBm的光信号，具有较高响心度(0．85A／W)及低暗电流(<1nA)的特性。
    探测器转换出来的电流信号很小，一般是在uA甚至nA级，所以需要对其进行放大并转换为能够匹配后级A／D转换器的电压信号。AD8304是AD公司专为测量光功率而设计的对数放大器，能够在-40℃～+85℃范同内工作，具有160dB(100pA～10mA)的宽动态测试范围，1nA～1mA范围内的线性误差为0．1dB，静态电流只有约4．5mA，输出端有10MHz带宽的低通滤波器。使用时电流输入引脚和光电探测器输出引脚尽量靠近，以减少噪声引入。图3是A08304输入电流和输出对数电压的关系图。

    芯片的对数输出电压为：VLOG=VYlog10(IPD／IZ)其中VY为斜率电压，由图3可看出VY=0．2volt／decade，IPD是输入电流，IZ称为基准电流，是100pA的定值。
    AD8304的对数输出VLOG和最后的输出VOUT之间有一级同相运放，可以根据不同的需要选择外接电阻得到适合的输出电压。需要说明的是VY和IZ也可以选择不同外接电阻进行调整。本设计中对数输出电压在0～1．6V范围内，符合后级A／D转换器的需要，故把同相运放接成电压跟随器的形式。
    假设经过光电转换的电流信号IPD=100nA，经过对数放大器的输出电压为
    VOUT=VLOG=0.2xlog10(100nA／100pA)=0．6V
2．3 A／D转换和数据运算处理
    经过AD8304后，小电流信号变成相对较大的电压信号，这时就要送入A／D转换器进行模数转换。MSP430系列单片机很突出的一个特点就是片上集成了A／D转换器，使得很多数据运算处理都在片上进行，降低了功耗。MSP430F2272片上集成有10-bit 200kbps的逐次逼近A／D)转换器，内部可提供1．5V或2．5V参考电压，可选择转换时钟源，具有8个外部模拟输入通道。
    基于以上配置本设计把8路电压信号直接接到单片机A／D转换模块的8个外部模拟输入通道，并设置了按键，按照查询方式动作选择哪一路模拟信号输入到A／D转换器，相当于做了一个多路选择开关。这样不仅省去了外部A／D转换芯片，也省去了多路复用器芯片，降低了系统功耗。
    另外，根据光电探测器对不同波长光信号的响应度不同，系统也设置了相应功能按键通过软件设置选择不同的响应度进行片内数据处理。
2．4 液晶显示
    为了把8路测试结果同时显示出来，本次设计选用了40x4字符型液晶。经过运算处理的信号被放到单片机P4口上送入液晶显示出来。
    系统功耗最大的是液晶的LED背光，设计中单独选用了一个LDO转压芯片AMS1117-5并设置了开关，可以在能见度比较高的场合下手动关掉背光电源，尤其是在电池供电情况下，这样可以在电池供电情况下延长功率计的使用时间。

3 结束语
    本设计基于单片机MSP430F2272，利用其片上集成具有8个外部模拟输入的A／D转换器实现了多路光信号功率的测量，同时在此基础上利用MSP430系列单片机的超低功耗特性选用LTC4412和LTC4002芯片及相应电路设计了电源管理系统，使系统可灵活选择供电方式。对数放大器AD8304的选用直接把微小电流信号转化为后级可用的电压信号，也是本设计的不同之处。经过测试，不开液晶背光的情况下系统总的电流消耗不超过50mA，功耗较低，可以满足一定精度的测试需求。