基于AD7705的在線激光功率檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    利用單片機(jī)和AD7705模／數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合光電檢測(cè)技術(shù)而設(shè)計(jì)了一種在線激光功率檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，智能操作，方便實(shí)用，誤差小，精度高。它采用單片機(jī)自動(dòng)采集光功率信號(hào)，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于與單片機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)過(guò)程的智能化，因而操作方便。

l 系統(tǒng)組成及原理
    設(shè)計(jì)要求測(cè)量波長(zhǎng)范圍寬(O．5～10μm)，功能穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，這對(duì)傳感器的選擇，A／D轉(zhuǎn)換器的精度、速度以及單片機(jī)都提出了嚴(yán)格的要求。經(jīng)方案論證，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1所示。

該系統(tǒng)由光電傳感器電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路以及顯示電路4部分組成。
1．1 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是光電傳感器電路。對(duì)于傳感器的選擇，應(yīng)考慮探測(cè)波長(zhǎng)范圍以及功率兩個(gè)方面，可選用與待測(cè)波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的光電傳感器。由于要求的波長(zhǎng)范圍為0．5～10μm，功率范圍為0～100 W，所以，一般的光電傳感器無(wú)法滿足要求。
這里采用一種“抽樣檢測(cè)”的方法，即針對(duì)某一特定波長(zhǎng)(該設(shè)汁中為1．064 μm)的激光器進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)出一種通用電路，只要改變傳感器型號(hào)即可測(cè)量其他波長(zhǎng)范圍的激光輸出功率。采用2DU1系列硅光敏二極管作為探測(cè)器。光敏二極管在受到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與照度成正比的小電流，因此是很好的光電傳感器，且具有良好的線性特性，不僅響應(yīng)速度快，靈敏度較高，而且噪聲低，穩(wěn)定可靠。實(shí)驗(yàn)時(shí)光電傳感器接收一部分光功率信號(hào)，將其測(cè)量結(jié)果與精準(zhǔn)的激光功率計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，得出比例系數(shù)，進(jìn)而利用軟件編程得到最終結(jié)果。該方法原理簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，造價(jià)低廉，方便實(shí)用，誤差小，精度高，可大大降低對(duì)傳感器的要求。光敏二極管在電路中必須處于反向偏置，如圖2所示。設(shè)計(jì)中將光敏二極管反偏接至AD7705的通道1，即接到7腳和8腳上，同時(shí)光敏二極管的環(huán)極接+5 V電壓，偏置電阻為6．5 kΩ。

1．2 模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    傳感器的輸出一般是毫伏級(jí)的微弱模擬信號(hào)，溫度特性差，易受干擾。傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在A／D轉(zhuǎn)換之前增加一級(jí)或多級(jí)高精度的放大器，這樣不但增加了成本和系統(tǒng)復(fù)雜性，而且在監(jiān)測(cè)中也會(huì)出現(xiàn)外部低頻(如工頻)干擾和放大器漂移等問(wèn)題。該設(shè)計(jì)中采用AD7705作為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，它順應(yīng)了集成化、高精度、多功能、自動(dòng)補(bǔ)償和自動(dòng)校準(zhǔn)的發(fā)展要求，集放大、濾波和A／D轉(zhuǎn)換單元于一體，只需接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容即可連續(xù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
    AD7705利用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)最高可實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼傳輸，能將從傳感器接收到的很微弱的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。AD7705與89S51單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

 AD7705采用SPI／QSPI兼容的三線串行接口，大大節(jié)省了I／O口。第一種方法是SCLK接AT89S51的P2口中未用的管腳，數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN，DOUT一起接P2口中未用的另一管腳。這種做法的代價(jià)是時(shí)間開(kāi)銷較多，不適用于時(shí)效性要求較強(qiáng)的系統(tǒng)；本設(shè)計(jì)采用第二種方法，即監(jiān)控硬件DRDY引腳的狀態(tài)，以決定數(shù)據(jù)寄存器是否被更新，硬件DRDY引腳的輸出與通信寄存器DRDY位同步，DRDY引腳一旦變成低電平，表明數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，可以讀取。DRDY輸出引腳接至單片機(jī)的INTO可實(shí)現(xiàn)中斷或者查詢方式的監(jiān)控。SCLK接AT89S51的同步脈沖輸出端TXD(P3.1)，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。AD7705的數(shù)據(jù)輸入、輸出端DIN，DOUT一同接AT89S51的RXD(P3．O)，并接一個(gè)10 Ω的上拉電阻。在這種連接方式下，對(duì)AD7705數(shù)據(jù)的讀取可按51系列單片機(jī)串行口的工作方式0完成。
    需要說(shuō)明的是在讀寫(xiě)操作模式下，AT89S51的數(shù)據(jù)輸出為L(zhǎng)SB在前，而AD7705希望MSB在前，所以數(shù)據(jù)讀寫(xiě)之前必須倒序。
1．3 數(shù)據(jù)處理與顯示電路設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)處理控制部分采用AT89S51單片機(jī)，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。
    AT89S51是低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法編程。與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容，性價(jià)比高，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
    顯示部分該設(shè)計(jì)采用四位數(shù)碼管，程序控制掃描方式。其中，PO口作為段選；P1.0～Pl.3作為位選。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 基于Keil Cx51的軟件設(shè)計(jì)思想
    程序設(shè)計(jì)思想是首先上電／復(fù)位AD7705，配置AT89S51單片機(jī)的串行接口，然后將AD7705的通道1初始化，注意讀寫(xiě)數(shù)據(jù)之前必須調(diào)用重新排序子程序。查詢DRDY引腳，如果為低電平，則讀通道數(shù)據(jù)寄存器，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電壓值，再調(diào)顯示子程序，調(diào)延時(shí)，做電壓轉(zhuǎn)換為功率值的數(shù)據(jù)處理。返回，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，查詢DRDY，顯示，直到結(jié)束。主程序流程圖如圖4所示。

2．2 AD7705的初始化配置及對(duì)寄存器操作子程序
    在使用AD7705之前，首先要對(duì)所有寄存器進(jìn)行設(shè)置和初始化。系統(tǒng)需確定AD7705芯片的主要參數(shù)具體設(shè)計(jì)：主時(shí)鐘取FCLK=2.457 6 MHz，輸入通道選擇單極性，數(shù)據(jù)更新速率為50 Hz。由于AD7705輸入基準(zhǔn)電壓等于+5 V，輸入負(fù)端接地，正端最大輸入幅度+l_3 V，故增益可以選擇4。當(dāng)參數(shù)設(shè)置完畢以后，寫(xiě)入設(shè)置寄存器位MD1和MDO分別為0和1，完成系統(tǒng)自校準(zhǔn)。在設(shè)置參數(shù)之前，首先對(duì)通信寄存器進(jìn)行一次寫(xiě)操作，以決定下一個(gè)是什么樣的寄存器和什么樣的操作內(nèi)容，再進(jìn)行下一步的參數(shù)寫(xiě)入。與初始化以后，單片機(jī)就可以從模／數(shù)轉(zhuǎn)換器中讀數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)之前必須確定數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)。通過(guò)查詢DRDY引腳，如果DRDY引腳處于低電平，則數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，可以讀取。AD7705的初始化配置及對(duì)寄存器操作程序流程圖如圖5所示。
    A／D轉(zhuǎn)換器輸出的是16進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為電壓值輸出。
    V=5．0(data-out／65 536．0)
    得到的電壓值還得轉(zhuǎn)化為功率顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)在ND：YAG激光器上測(cè)量了不同激勵(lì)電流下的系統(tǒng)輸出電壓，并實(shí)測(cè)了經(jīng)精密激光功率計(jì)LOGO檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，得出兩者之間的線性關(guān)系為P=50V。
    A／D轉(zhuǎn)換器的子程序如下：

3 系統(tǒng)測(cè)試
3．1 測(cè)試結(jié)果
    通過(guò)將設(shè)計(jì)產(chǎn)品與精密激光功率計(jì)的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度較高，誤差很小。實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。其中，功率值1為L(zhǎng)OGO激光功率計(jì)所測(cè)值；功率值2為所設(shè)計(jì)設(shè)備的測(cè)量值。

3．2 誤差分析
    在實(shí)際應(yīng)用中由于強(qiáng)電磁場(chǎng)，系統(tǒng)中的閃爍信號(hào)干擾或者軟件錯(cuò)誤會(huì)造成接口迷失，一旦接口迷失，數(shù)據(jù)也無(wú)法從中正常讀出。因此，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)接口。數(shù)據(jù)讀出速率應(yīng)不超過(guò)預(yù)設(shè)輸出寄存器的更新速率。由于AD7705的分辨率太高，而要求的噪聲電平又太小，所以必須注意接地和電路布線。

4 結(jié) 語(yǔ)
    通過(guò)以上討論，介紹了在線激光功率檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。它利用AT89S51作為測(cè)量控制核心，采用C51作為編程語(yǔ)言，用以控制AD7705芯片的工作過(guò)程，使用光敏二極管作為光電傳感器，AD7705內(nèi)置的數(shù)字濾波器可有效抑制工頻干擾，而豐富的校準(zhǔn)功能可消除偏移、增益以及傳感器的漂移誤差。經(jīng)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證，性能穩(wěn)定可靠，響應(yīng)迅速，工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)。