基于AD7705的在線激光功率檢測系統(tǒng)設計

0 引 言
    利用單片機和AD7705模／數轉換器結合光電檢測技術而設計了一種在線激光功率檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點是原理簡單，造價低廉，智能操作，方便實用，誤差小，精度高。它采用單片機自動采集光功率信號，然后對采集的數據進行處理。由于與單片機結合，實現了檢測過程的智能化，因而操作方便。

l 系統(tǒng)組成及原理
    設計要求測量波長范圍寬(O．5～10μm)，功能穩(wěn)定，響應迅速，工作環(huán)境適應性強，這對傳感器的選擇，A／D轉換器的精度、速度以及單片機都提出了嚴格的要求。經方案論證，設計的系統(tǒng)原理見圖1所示。

該系統(tǒng)由光電傳感器電路、模／數轉換電路、單片機控制電路以及顯示電路4部分組成。
1．1 信號采集電路設計
    系統(tǒng)設計的基礎是光電傳感器電路。對于傳感器的選擇，應考慮探測波長范圍以及功率兩個方面，可選用與待測波長相對應的光電傳感器。由于要求的波長范圍為0．5～10μm，功率范圍為0～100 W，所以，一般的光電傳感器無法滿足要求。
這里采用一種“抽樣檢測”的方法，即針對某一特定波長(該設汁中為1．064 μm)的激光器進行測量，設計出一種通用電路，只要改變傳感器型號即可測量其他波長范圍的激光輸出功率。采用2DU1系列硅光敏二極管作為探測器。光敏二極管在受到光照時，會產生一個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，不僅響應速度快，靈敏度較高，而且噪聲低，穩(wěn)定可靠。實驗時光電傳感器接收一部分光功率信號，將其測量結果與精準的激光功率計測量結果進行比較，得出比例系數，進而利用軟件編程得到最終結果。該方法原理簡單，測量方便，造價低廉，方便實用，誤差小，精度高，可大大降低對傳感器的要求。光敏二極管在電路中必須處于反向偏置，如圖2所示。設計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／數轉換電路設計
    傳感器的輸出一般是毫伏級的微弱模擬信號，溫度特性差，易受干擾。傳統(tǒng)的電路設計方法是在A／D轉換之前增加一級或多級高精度的放大器，這樣不但增加了成本和系統(tǒng)復雜性，而且在監(jiān)測中也會出現外部低頻(如工頻)干擾和放大器漂移等問題。該設計中采用AD7705作為模／數轉換器，它順應了集成化、高精度、多功能、自動補償和自動校準的發(fā)展要求，集放大、濾波和A／D轉換單元于一體，只需接晶體振蕩器、精密基準源和少量去耦電容即可連續(xù)進行A／D轉換。
    AD7705利用∑-△轉換技術最高可實現16位無誤碼傳輸，能將從傳感器接收到的很微弱的輸入信號直接轉換成串行數字信號輸出，是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和基于DSP系統(tǒng)的理想產品。AD7705與89S51單片機的接口電路如圖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，數據輸入、輸出端DIN，DOUT一起接P2口中未用的另一管腳。這種做法的代價是時間開銷較多，不適用于時效性要求較強的系統(tǒng)；本設計采用第二種方法，即監(jiān)控硬件DRDY引腳的狀態(tài)，以決定數據寄存器是否被更新，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，表明數據寄存器數據已經更新，可以讀取。DRDY輸出引腳接至單片機的INTO可實現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)，為傳輸數據提供時鐘。AD7705的數據輸入、輸出端DIN，DOUT一同接AT89S51的RXD(P3．O)，并接一個10 Ω的上拉電阻。在這種連接方式下，對AD7705數據的讀取可按51系列單片機串行口的工作方式0完成。[!--empirenews.page--]
    需要說明的是在讀寫操作模式下，AT89S51的數據輸出為LSB在前，而AD7705希望MSB在前，所以數據讀寫之前必須倒序。
1．3 數據處理與顯示電路設計
    數據處理控制部分采用AT89S51單片機，這是系統(tǒng)設計的核心。
    AT89S51是低功耗、高性能CMOS 8位單片機，既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法編程。與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容，性價比高，可靈活應用于各種控制領域。
    顯示部分該設計采用四位數碼管，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)軟件設計
2．1 基于Keil Cx51的軟件設計思想
    程序設計思想是首先上電／復位AD7705，配置AT89S51單片機的串行接口，然后將AD7705的通道1初始化，注意讀寫數據之前必須調用重新排序子程序。查詢DRDY引腳，如果為低電平，則讀通道數據寄存器，把數據轉化為電壓值，再調顯示子程序，調延時，做電壓轉換為功率值的數據處理。返回，繼續(xù)采集數據，查詢DRDY，顯示，直到結束。主程序流程圖如圖4所示。

2．2 AD7705的初始化配置及對寄存器操作子程序
    在使用AD7705之前，首先要對所有寄存器進行設置和初始化。系統(tǒng)需確定AD7705芯片的主要參數具體設計：主時鐘取FCLK=2.457 6 MHz，輸入通道選擇單極性，數據更新速率為50 Hz。由于AD7705輸入基準電壓等于+5 V，輸入負端接地，正端最大輸入幅度+l_3 V，故增益可以選擇4。當參數設置完畢以后，寫入設置寄存器位MD1和MDO分別為0和1，完成系統(tǒng)自校準。在設置參數之前，首先對通信寄存器進行一次寫操作，以決定下一個是什么樣的寄存器和什么樣的操作內容，再進行下一步的參數寫入。與初始化以后，單片機就可以從模／數轉換器中讀數據，讀取數據之前必須確定數據寄存器的狀態(tài)。通過查詢DRDY引腳，如果DRDY引腳處于低電平，則數據已經轉換完成，可以讀取。AD7705的初始化配置及對寄存器操作程序流程圖如圖5所示。
    A／D轉換器輸出的是16進制數據，需要轉換為電壓值輸出。
    V=5．0(data-out／65 536．0)
    得到的電壓值還得轉化為功率顯示。通過實驗在ND：YAG激光器上測量了不同激勵電流下的系統(tǒng)輸出電壓，并實測了經精密激光功率計LOGO檢測到的數據，得出兩者之間的線性關系為P=50V。
    A／D轉換器的子程序如下：

[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)測試
3．1 測試結果
    通過將設計產品與精密激光功率計的實測結果進行比較發(fā)現，系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度較高，誤差很小。實測結果如表1所示。其中，功率值1為LOGO激光功率計所測值；功率值2為所設計設備的測量值。

3．2 誤差分析
    在實際應用中由于強電磁場，系統(tǒng)中的閃爍信號干擾或者軟件錯誤會造成接口迷失，一旦接口迷失，數據也無法從中正常讀出。因此，在系統(tǒng)軟件設計中應當定時復位系統(tǒng)接口。數據讀出速率應不超過預設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 語
    通過以上討論，介紹了在線激光功率檢測系統(tǒng)的設計原理。它利用AT89S51作為測量控制核心，采用C51作為編程語言，用以控制AD7705芯片的工作過程，使用光敏二極管作為光電傳感器，AD7705內置的數字濾波器可有效抑制工頻干擾，而豐富的校準功能可消除偏移、增益以及傳感器的漂移誤差。經實際測量驗證，性能穩(wěn)定可靠，響應迅速，工作環(huán)境適應性強，能實現對激光功率的實時檢測。