摘要：针对国内市场上的光万用表存在丈量不行准确或许功耗过高的问题，规划了一款手持式光万用表，给出了首要模块的硬件原理图、体系软件流程图及光功率计校准办法，该外表以超低功耗微处理器KL46为操控中心，集成光功率计、红光光源和1310 nm单波长激光光源功用，各个功用能够独自运用，也能够合作运用，为宽广工程测验人员以及技术人员供给了更为便利和更低本钱的挑选。测验结果表明，其光功率计不确定度小、功耗极低、功用安稳，其红外光源和1310 nm单波长激光光源安稳牢靠，具有很高的运用价值。
导言
数字化智能化测控外表是近年来工业进程运用外表方面的首要开展趋势。微电子技术的开展和工业进程对测控方面要求的加强，使智能化测控外表的运用更广、本钱更低。单片机具有本钱低、牢靠性高、运用灵敏的特色。由各详细职业的业内人士运用单片机来开发或改造一般外表是一条可行的路途，手持式光功率计和光源是电信工程与保护、光通信研讨与教育中十分常用的设备，并常常组合运用。将光功率计和安稳光源组合在一起称为“光万用表”，它常用来丈量光纤链路的光功率损耗。
Kinetis L系列MCU依据高能效的ARM Cortex-M0+处理器，经过精细的规划、完好系列的解决计划将ARM Cortex-M0+处理器的低功耗特性提高到新水平，供给了杰出的灵敏性与扩展性。因而，选用KL462256VLH4(以下简称KL46)作为主控器，使用其自带的16位ADC，再加上外围电路，完结了光功率计、红光光源和单波长激光光源功用。
1 作业原理
光万用表体系是由光功率计、红光光源和单波长激光光源3个部分组成，其作业原理如图1所示。
光功率计部分将待测光信号经光电转化模块转化为电流信号，再经过I/V改换和信号调度电路后转化为电压信号，之后用KL46的ADC进行模/数转化，运算处理后得到光功率值，显现到LCD。
红光光源和单波长激光光源由KL46直接操控宣布红光和1310 mm激光。
2 硬件规划
2.1 光电探测器
光电探测器是光电转化的要害器材，用于将光信号转化为电流信号，常用的有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。APD具有很高的内部倍增因子，可是噪声功用较差、偏置电压较高、温度安稳性差、结构杂乱且价格高。而PIN光电二极管具有高呼应度、低暗电流、宽动态规模、高线性度、重复性好、价格便宜等长处，彻底满意光功率规划的要求。因而规划中选用重庆浩铎光电科技有限公司InGaAs PIN，该器材能呼应850～1650 nm波长，暗电流为0.5 nA，呼应度是0.85 A/W，动态规模为-60～+10 dBm。
2.2 I/V转化及量程切换电路
光纤中光信号一般很弱，从nW级到mW级。这就要求外表必须有多个量程而且能够依据光信号巨细规模主动切换量程。因为输入信号比较小，其量程切换实际上是扩大倍数的切换。MCU依据输入信号的巨细，经过操控模仿开关来改动反应电阻阻值完结信号强度的扩大切换，使经过调度后的输出电压能够满意ADC对输入的要求。I/V转化及量程切换电路首要由一个8路模仿开关MAX4638和一个低功耗低噪声单电源双路运放OPA2344组成，如图2所示。
依据A0、A1和A2引脚可挑选8个不同的通道，对应不同的扩大倍数，经过扩大后的ADC两头输入电压：V=I—optical×R。
2.3 单片机操控体系
飞思卡尔KL462256VLH4是依据ARM Cortex—M0+内核32位MCU，具有256 KB的闪存、32 KB RAM、高速16位ADC、12位DAC、高速模仿比较器。该芯片资源丰富，集成了LCD驱动功用和16位ADC，减少了外围电路装备，降低了本钱，全体功耗较低。外表的显现选用段码式LCD屏显现。因为ADC的差分模仿输入办法具有高宽带、低功耗、低失真的长处，因而规划中AD0选用差分转化办法来检测扩大后的电压信号。别的，AD10用一般的单端模仿输入办法，距离一段时间收集电池电压信号。选用3×3矩阵式键盘，占用6个I/O，首要完结以下功用：波长切换、数据存储、显现计划切换、开关机、单位切换、开关光源。
2.4 光源
2.4.1 红光光源
红光激光笔是检测光纤毛病的常用辅助工具，将红光打入光纤中，毛病方位和高损耗方位红光会漏射而发生的可见亮斑可完结光纤毛病可视化定位。因而外表体系集成了红光光源功用，能够发射0 Hz、1 Hz和2 Hz频率光。红光激光器，选用重庆浩铎光电科技有限公司的650 nm激光器组件，其作业电流是30 mA，为了获得安稳的作业电流，驱动电路选用安稳电流的电路驱动操控办法，如图3所示。
当外围的Vset设置结束后，因为精细运放U1的3引脚和4引脚虚短可推知，运放的3引脚与4引脚是等电位的。而依据运放虚断的概念能够得出R1两头电压持平，所以TP1电压安稳等于Vset的值。串联支路中流过R11的电流即为流过LD的电流，电流巨细为I=Vset/R11。当Vset为安稳值时，流过LD的电流安稳，到达安稳电流驱动激光器的意图。
电路中的Q8为增强型N沟道MOSFET管，首要是用来操控激光脉冲的敞开与封闭。由TP3输入的外界操控频率，经过Q8操控Q1的基极偏压，然后操控Q1的开和关状况，完结红光驱动电路按指定频率发送脉冲红光。
2.4.2 单波长激光光源
单波长激光光源分为0 Hz、270 Hz、330 Hz、1 kHz和2 kHz频率光。单波长激光器选用武汉昱升光器材公司出产的YSLD3118型1310 nm激光器。为了发射安稳功率的激光信号，且因为该器材内部集成光功率探测器(PD)，激光器的操控能够选用主动功率操控的电路驱动办法。红光激光器驱动电路如图4所示。电路由外围电压vset设置激光器初始的作业状况，当LD发光后，PD探测到部分光电流，然后经过对地电阻R9转化为TP2的电压，一起TP2电压反应到运放的同相端(Vset电压从运放的反相端)输入，形成了与输入电压的反向补偿输入机制。
当LD功率变大时，PD探测到的电流变大，TP2的电压变高，那么OPA2340的1引脚输出电压变高，Q4导通程度变小，LD的电流变小，然后使得LD功率又回归变小。这种自适应的电路办法，经过实时改动LD电流巨细，最终使LD功率安稳在某一安稳规模内。
驱动电路增加了脉冲操控激光器输出功用，脉冲从R5端输入，操控Q2开关来分时导通，使得Vset由脉冲凹凸电平来完结开关操控，完结LD随输入操控信号频率来发送激光。
3 体系软件规划
体系软件选用模块式规划办法，整个体系由体系初始化、A/D转化、按键扫描等模块组成。外表上电后，首要进行体系初始化模块，然后开端运转。在履行进程中，依据挑选别离调用各个功用模块完结对应的功用。程序流程图如图5所示。
3.1 量程操控
光功率计量程分为8个档位，扩大电阻从100 Ω～100MΩ，ADC采样数值规模为0～32 768，量程切换规矩如下：
①若ADC采样值小于3 000，则量程升一档选用高一级的扩大电阻。
②若ADC采样值大于30 000，则量程降一档选用低一级的扩大电阻。
③若现已为最大量程，ADC采样值仍是十分小，则启用ADC的内部PGA功用进行扩大，最小扩大倍数是2，最大扩大倍数是64。选用的扩大倍数能够让ADC采样值经扩大后超越3 000即可，无法到达3 000则按最大扩大倍数进行扩大。
3.2 数字滤波
光电转化的噪声、ADC采样差错以及光纤中光信号本身的不安稳性都会给光功率值的丈量带来必定的搅扰，因而选用去极值均匀滤波办法。该办法是将接连丈量的n个采样值依照巨细排序，去掉最大值和最小值，然后对剩下的n-2个采样值求取均匀值。为了确保体系丈量的灵敏度，ADC采样速率设为24 MHz，然后ADC采样32次，去掉最大的3组数据和最小的3组数据，剩下26个数据均匀处理。
4 光功率计校准
因为光电二极管本身的功用差异会在光电转化进程中引进必定的差错，一起ADC尽管精度高达16，可是依旧存在必定的量化差错，这些差错可经过严厉的校准来批改。用光纤和衔接器衔接光源、可调光衰减器、分光器、规范光功率计和待校准光功率计;用PC串口别离衔接规范功率计、待校准光功率计和可调光衰减器。光功率计校准体系结构如图6所示。
经过PC的串口设置可调光衰减器的衰减倍数，待光信号安稳后，经过串口别离读取待校准功率计和规范功率计光功率值，进行比较得到两者的差错。经过调理衰减器不同的衰减倍数，得到不同量程光功率值的批改值。校准后的光功率计测验比照数据如表1所列。
从表1中能够看出功率计准确度较高，差错操控在±0.1 dBm内，丈量光功率规模为-60～+10 dBm，动态规模到达70 dBm，一起在光功率丈量时整机电流小于20 mA，整机功耗小于30 mW。
结语
规划中选用KL462256VLH4微处理器作为主控芯片激光万用表，集成了光功率计、红光光源和单波长激光光源，免去了带着多个外表奔赴测验现场的不方便。光功率计部分具有差错小、功耗低、本钱低、功用安稳等长处，基本上到达进口外表的水平;红光光源和单波长激光光源功用安稳。全体来说，外表可满意高校实验室的教育和光通信部分的施工检测与保护需求，具有宽广的市场前景。一起，本外表的规划办法和思路相同适用于便携式设备的规划准则，具有很高的参考价值。
