毕业设计（论文）基于51单片机的光功率计的设计与实现

四川师范大学成都学院本科毕业设计基于51单片机的光功率计的设计与实现学生： 指导教师：内容摘要：本文介绍了光功率计的基本原理，各个功能模块，在生产过程中材质的对比选择。然后对对各个模块进行C语言编程和程序搭建。本次设计采用C8051F020单片机作为CPU控制，测量信号经过单片机进行折算后将结果送往显示器显示。目前国内所需的光功率计大多依靠进口，且国外光功率计价格贵，所需配件品种多，使用操作也较复杂，而国内同类测试仪器存在价格偏高且测量精度偏低等方面的不足；另一方面，随着微处理器技术的迅猛发展，以微处理器为核心进行工作的智能仪器得到充分的发展。当光纤通信遇到了智能化测试，就会引起测量控制仪表领域的一场新的技术革命。关键词：光纤 光功率计 单片机 显示器30optical power meter of design and implementation Based on the 51-series MCUAbstract: This paper introduces the basic principle of optical power meter, modules, in the process of production of contrast material choice. Then selvesor modules for the C programming language and procedures set. This design USES C8051F020 SCM as CPU control, finally will test results to display. At present domestic need optical power meter mainly rely on imports, and foreign optical power meter high price, required parts in many varieties and use the operation is more complex, and domestic similar test instrument exists and low prices high measurement precision aspects of insufficient; On the other hand, along with the rapid development of microprocessor technology, a microprocessor core work of intelligent instrument develop substantially. When the optical fiber communication met intelligent test, it would cause measurement control instrument field of a new technological revolutionKeywords: Optical fiber optical power meter MCU displays目 录前言11 光功率计介绍22 方案及相关元件的选择32.1 光电转换电路设计方案32.1.1 光电二极管的选择32.1.2 放大滤波电路的设计方案52.2 单片机控制部分82.2.1 复位电路设计92.2.2 AD转换102.2.3 与通信的总线接口112.3 显示电路设计方案123 外围电路设计133.1 电源部分133.2 总线部分133.2.1 总线控制时序143.2.2 总线的硬件接口电路143.2.3 总线的通讯数据格式143.3 24C系列串行与MCU接口电路设计163.4 按键设计部分163.4.1 按键去抖动163.3.2 按键号的确认173.5 上位机通讯电路183.6 显示器及其接口电路194 软件部分204.1 下位机程序204.1.1 按键中断处理函数224.1.2 USB编程234.1.3 A/D转换234.1.4 与通信255 总结27附录128附录129参考文献30基于51单片机的光功率计的设计与实现前言二十一世纪科技有了高速的发展，生活、工业、军事等多方面得运行都离不开信息得传输。光纤由于其传输损耗小、传输容量大、抗干扰能力强等特点，已经作为数字通信中的主要传输介质。然而长距离得信息传输避免不了信息在传输过程中的损耗。人们在不断得研究过程中发明了光纤传输的低损耗过程。目前光纤通讯已成为了通讯领域发展的前沿。光纤通讯系统主要组件有：光缆、光源、检测器、连接口、通讯电路。在整个光纤传输系统中，有源及无源部件如光发射机、光接收机、光接头、光耦合器、光隔离器等的接入对系统的传输特性都有相当大的影响，为了使系统达到应有的传输指标，必须对光缆、部件以及全系统进行一系列的检验和测量。应进行插入功率损耗等参数的测量。当然，更重要的还有全系统指标功率、功率衰减及信噪比等传输特性的测量。据预测，在领导下一代通信测试的各类测试仪器中，光测试仪器成为最有潜力的仪器之一，光功率计正是诸多急待开发的光纤系统测量仪器中的常用的、重要的基础设备。它是光通信和光纤传感等一些高新技术领域中测试光功率、光衰减量必不可少的常用测量仪表。随着我国光纤应用技术的迅速发展，光功率计的需求量与日俱增，特别是用于工程施工现场的便于携带、操作简便、性能稳定的光功率计。目前国内所需的光功率计大多依靠进口，国外光功率计价格普遍偏高，所需配件品种多，使用操作也较复杂；而国内同类测试仪器存在价格偏高且测量精度偏低的不足。随着微电子技术的迅速发展，特别是单片机的出现和广泛应用，正在引起测量控制仪表领域的一场新的技术革命，测量仪器的智能化已成为现代仪器仪表发展的主要方向。智能光功率计是指含有微型计算机(C)或微处理器(P)，能对测量结果进行存储、运算处理及仪器本身能够按照人工的预先设置进行自动操作的具有智能特性的光功率测量仪器，它可广泛地应用于光通信、光学实验、激光医学、军事伪装及成像系统等方面。本文针对光纤的各项测试的实际需要研制光功率计，主要是针对中低端用户和生产，在满足一定的需求上提高测量精度同时又大大降低成本。1 光功率计介绍光功率计主要用于测量光信号的强弱，目前光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式，其原理是利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小，这种测量方法的优点是光谱响应曲线平坦、准确度高，缺点是成本高，响应时间长；另一种是半导体光电检测方式，一般被用来作为标准光功率计，本文也是采用这种检测方式。其内部原理如图1-1所示，光探头就是光敏感面面积较大(直径为110 mm)的半导体PIN光电二极管，加上I层的PN结二极管可以提高探测灵敏度和响应速度。被测光通过光纤接口投射到光探头的光敏面上时，半导体中的价带电子激发到导带，偏置电路中便会出现光电流，通过负载电阻实现I变换，此电压信号再经滤波放大后，最后由数字式显示器显示。光电流的大小随输入光信号的强度变化的，也就是说负载上电压信号的大小就反应了光强变化，所以显示器可以直接读出光功率的大小。光探头I/V变换显示信号放大源光源光源光源图1-1 光功率计的原理图光功率计的主要技术指标有测量灵敏度和测量精度。习惯上把灵敏度优于75dB的光功率计称为高灵敏度光功率计。在设计光功率计时，我们一般使它配合构成的测量动态范围比被测线路的总损耗有12dB以上的富余度。光功率计的精度指标一般定为5，但是实际测量的准确度和重复性取决于探头连接器的正确使用。这是因为测量时不允许光纤与探头的光敏面接触(否则便会损坏探头)，而光纤与光敏面相离距离的远近又对进入光电二极管的光功率值很敏感。一般来说，高质量的光功率计都配有附件，保证被测光纤与光电二极管的光敏面对正，且能重复地保持合适的距离。其波长响应范围主要由探头的特性所决定，由于不同的半导体材料制成的光电二极管对不同的光强响应度不同，所以一种探头只能在某一波长范围内使用，而且每种探头都是在其中心响应波长上校准的，为了覆盖较大的波长范围，一台主机往往配备几个不同波长范围的探头。其测量精度由探头的灵敏度和主机的动态范围所决定。使用不同的探头由不同的光功率测量范围。为了从强背景噪声中提取较弱的信号，以提高灵敏度，主机都没有平均处理功能，为了消除暗电流的影响，主机还自动偏差校准，辞去设置传感器暗电流到0.本次数字光功率计的内部机构如图1-2所示，将接收到的光信号投射在光探测器的光敏面上并由光电转换电路将其转变为电流，再经过l变换电路和放大电路得到电压信号，然后把这个信号送到低通滤波器进行滤波及响应度补偿放大，以得到与功率值相对应的电压，之后再将该电压经A/D转换，以得到表示功率大小的数字量，最后通过CPU进行数据处理和判断后，将数据送入LCD显示器进行功率显示或指示。以下章节将分别讲解各个电路部分的设计和实现。光探测器光电转换电路I/V变换电路放大滤波处理器显示电路A/D转换电路键盘 图1-2 数字光功率计工作原理框架图2 方案及相关元件的选择2.1 光电转换电路设计方案光探测器是具有将光信号转换为电信号得功能，是接收光信号的关键器件，目前常用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)2.1.1 光电二极管的选择光电二极管(PD)把光信号转换为电信号，是由半导体PN结的光电效应实现的。在PN结的界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。内部电场使电子和空穴与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层。当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于带隙(Hf Eg)，便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子一空穴对。在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是的光电二极管(PD)。根据结构的不同，光电二极管可分为P-N结型、P矾结型、雪崩型以及肖特基结型光电二极管(APD)。在光纤通信领域的应用中，为了克服光生载流子扩散时间长的缺点，在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，以增大耗尽区宽度W，达到减小扩散运动的影响，提高响应度的要求。由于P-N结中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，当管芯加上一定反向电压后，其耗尽区便可在整个I型层展开，亦即扩展了耗尽区，而光生载流子扩散区域则被压缩，这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。APD具有雪崩放大作用、响应度高，但附加噪声大、偏置电压高、温度稳定性差、结构复杂且价格高。因此作为光功率检测的仪器一般采用PIN光电二极管作为光电转换器件，所以通用光功率计一般是采用PIN光电二极管作为光探测器件的。目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAs等，覆盖了从750rim到1800nm的波长范围，而PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管都是小信号工作器件，光敏面不合适，能接收的光功率范围很有限，所以一般不用来做光功率计的探测器。而InGaAs.PIN是一种低噪声、高响应度的光电检测器，具有较高的测量灵敏度。当InGaAs.PIN管接收光输入后，位于价带中电子吸收了光子而跃迁到导带，因而可产生一个电子-空穴对。该电子空穴对若在耗尽区产生，那么在自建电场(PI管一般采用零偏压)的作用下，电子将向N区漂移，空穴向P区漂移，从而产生与输入光功率成正比的电流信号。InGaAs.PIN的光响应度可达0.8AW，波长范围为1100nm1700nm。故在本次设计上，基于暗电流、上升时间、带宽、偏置电压等综合考虑，我们最终采用InGaAs.PIN。从表2.1.1-1中可以得到，InGaAs.PIN用于长波长(1.31和1.55)系统，性能非常稳定，通常把它和使用场效应管(FET)的前置放大器集成在同一基片上，构成PINFET接收组件，以进一步提高灵敏度，改善器件的性能。这种组件已经得到广泛应用。新近研究的InGaAs.PIN的特点是响应速度快，传输速率可达到十几Gb/s，适用于高速光纤通信领域。图2.1.1-1为PIN光电二极管响应度与波长的关系：表2.1.1-1 Si、Ge、InGaAsPIN光电二极管的通用工作特性参数参数符号单位SiGeInGaAs波长范围Nm4001100800165011001700响应度RA/W0.40.60.40.50.750.95暗电流IDnA110505000.52.0上升时间TTns0.51.00.10.50.050.5带宽BGHZ0.30.70.53.01.02.0偏置电压VBV55105图2.1.1-1 PIN光电二极管响应度和波长的关系2.1.2 放大滤波电路的设计方案由于PIN二极管产生的光电流很小，不能直接用于测量，需要通过适当的低噪声放大后，再进行数据处理。光电探测器件往往都紧密连接一个低噪声前置放大器，它的任务是：放大光电探测器件所输出的微弱电信号,匹配后置处理电路与探测器件之间的阻抗。对前置放大器的要求是：低噪声、高增益、低输出阻抗、足够的信号带宽和负载能力，以及良好的线性和抗干扰能力。在结构上要求紧凑、靠近探测器件，良好的接地与屏蔽。低噪声前置放大器的设计，同一般放大器设计的根本区别是首先满足放大器的噪声指标，因此要考虑器件的选取和低噪声工作点的确立，还要满足信号源阻抗与放大器间的噪声匹配；其次要考虑电路的组态、级联方式及负反馈等以满足对放大器增益、频响、输入输出阻抗等方面的要求。另外，为了获得良好的噪声性能、通常还要采取避免外来干扰的多种措施。低噪声电路中，一般都选用金属膜电阻器和绕线电阻器，选用损耗较小的云母电容和瓷介电容来降低噪声，在大容量电容中，选用漏电流很小的钽电解电容。改多点接地为单点接地，这样就切断了地环流的干扰。通常在浮地端再用一个110k的电阻或一小电容接地，以加强对空间电磁场的屏蔽效果。光电探测器对于前置放大器的要求通常从两个方面考虑：一是要求功率传输最大，即放大器的输入电阻等于光电探测器内阻，工作于匹配状态，此时在一定的入射光功率情况下，从放大器输出端可得到最大输出电功率；其次，要求输出最小的噪声，即放大器工作在最佳源电阻的情况下，此时在放大器输出端可得到最大的信噪比。而在实际的光电探测系统中，最佳源电阻与匹配电阻往往是不相等的，有的相差还很大。根据阻抗匹配及噪声要求，本次设计采用阻抗变换型放大电路（pin光电二极管，对数放大器）。其方案频带宽、低噪声、灵敏度高、动态范围大得特点。对数比放大器输入和输出呈对数关系，这样输入信号的动态范围可以很大。宽动态范围信号经过压缩之后，使用较低分辨率的测量电路可实现信号精确测型。假设输入信号范围从1 mV-10 V，要求在l mV时的分辨率为l，为保证精度则在lV时分辨率就是0001。如果采用线性放大器，要求使用17位数模转换器。但是，如果采用对数比放大器，其输入动态范围为3个数量级，信号的分辨率保持l，则模数转换器用12位就可以了。此外，电路采用对数比放大器，不用切换量程，避免了换档误差，使得测量精度有很大的提高。在本次设计中我们采用AD8304芯片，图2.1.2-1是AD8304的内部原理图：它是一款动态范围为80dB的对数比放大器，有专门的光电二极管接口，由内部提供光电二极管的偏置电压。AD8304内部集成了温度补偿电路，提高了转换精度。其工作电压为3.5-5.V。功能上，AD8304内部由两部分组成：对数比转换器和线性运算放大器。光电二极管输入的是微小的电流信号，对数比放大器完成电流到电压的对数比转换。图2.1.2-1 AD8304的内部原理图在5 V电压时最大输出电压为5 V。为了适应不同的AD转换输入电压的要求，运算放大器作为缓冲级来调节这一电压值，以便最大限度地利用16 bAD转换的精度。由对数放大器输入和输出关系可以得到： (2.1.2-1) (2.1.2-2)式中：是AD834输出电压；是光电二极管输出的电流；是光电二极管截止电流，一般为常数；和是常数，由芯片外部所接电阻网络决定：是光电二极管的响应度；是输入的光功率值。将(2.1.2-2)式代入(2.1.2-1)式可得： (2.1.2-3)式中：; ; 可以看到，当(2.1.2-3)式中单位取mw时，(2.1.2-3)式P的单位即为dbm。而且式子中和是常数，所以输出电压值和被测功率值P(以dbm表示)就成为简单的线性对应关系。这样避免了繁琐的对数运算，使得后继的程序处理和结果计算就变得简单了，图2.1.2-2是部分设计的电路图：图2.1.2-2 AD8304对数放大器设计图2.2 单片机控制部分单片机由于具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、共组可靠、使用方便等特点被广泛应用于监控技术并使得工业生产更加现代化。C8051F02x系列器件使用Silicon Labs的专利CIP.51微控制器内核。CIP.51与MCS.51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP.51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。下面列出了一些在本次设计中用到的主要特性，更具体的细节请参见有关某一产品的具体资料：高速、流水线结构的8051兼容的CIP51内核(可达25MIPS)；全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；真正12位(C805lF020/1)ADC，带PGA和模拟多路开关；具有可编程数据更新方式64K字节可在系统编程的FLASH存储器；4352(4096+256)字节的片内RAM；可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的SPI、SMBus/和两个UART串行接口；5个通用的16位定时器；具有5个捕扭比较模块的可编程计数器/定时器阵列。该MCU都可在工业温度范围(45-+85)内用27V-36V的电压工作。端口I/O、和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。2.2.1 复位电路设计任何微机都是通过可靠复位之后才开始有序执行应用程序的。单片机复位电路的结构并不复杂，且参考电路的形式较多。图2.2.1-1是RC复位电路。图2.2.1-1 RC复位电路该电路为低电平复位，SW-PB为手动复位开关，可避免高频谐波对电路的干扰。从理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，即只要保证t=RC2M(M为机器周期)便可。但在实际设计中，通常取值为10F以上，通常取值10k左右。实践发现，如果取值太小，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。该电路还存在电源毛刺和电源缓慢下降(电压不足)等问题，而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差，所以在设计复位电路时，既要保证整个应用系统的可靠复位，又要考虑复位电路应具有较好的抗干扰能力。所以我们可以在复位电路增加续流二极管，如图2.2.1-2对于改善复位性能，起到了重要作用。2.2.1-2 改善后的复位电路2.2.2 AD转换由于C805IF020的ADC0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器(AMUX0)，一个可编程增益放大器(PGA0)和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器(见图2.2.2-1的原理框图)。AMUX0、PGA0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件控制特殊功能寄存器来控制。ADC0所使用的电压基准按“9.x电压基准(C805IF020)”或“10.x电压基准”选样。在本设计中，VREF采用AD8304内部输出的VREF，伏值为2.0V。图2.2.2-1 ADC0内部原理框图2.2.3 与通信的总线接口SMbus0 I/O接12是一个双线的双向串行总线，SMbus0完全符合系统管理总线规范11版，与C串行总线兼容。系统控制器对总线的读写操作都是以字节为单位的，由SMbus接口自动控制数据的串行传输。SMbus0可以工作在主/从方式， SMBus0提供了SDA(串行数据)控制、SCL(串行时钟)产牛和同步、仲裁逻辑以及起始/停止的控制和产生电路。有三个与之相关的特殊功能寄存器：配置寄存器SMBOCF、控制寄存器SMBOCN及用于发送和接收数据的数据寄存器SMBODAT。图2.2.3-1给出了一个典型的SMbus配置。SMbus0接口的工作电压可以在30V和50V之间，总线上不同器件的工作电压可以不同。SCL(串行时钟)和SDA(串行数据)线是双向的，必须通过一个上拉电阻或类似电路连到电源电压。连接在总线上的每个器件的SCL和SDA都必须是漏极开路或集电极开路的，当总线空闲时，这两条线都被拉到高平。图2.2.3-1 SMbus0接口电路图2.2.3-2 SMbus配置2.3 显示电路设计方案LCD数码显示器的控制电路也较简单，并且市面上的LCD数码显示器基本上都带驱动电路。点阵式液晶的电极数目较多，显示控制和驱动较为复杂，我们可以选用市面上的标准化点阵式LCD模块。这些模块是在一块双面印刷线路板上，它的一面用导电橡胶将电路与液晶显示器件连接，另一面装配所需要的驱动器和控制器。因此本文选用液晶屏采用三星公司控制IC-KS0818方案，可由程序控制输出汉字或其它字符。本次选用Lcm12864。主要由行/列驱动器及128*64全点阵液晶显示器组成，可完成图像显示也可以显示8*4个（16*16点阵）汉字，其工作温度-20+70摄氏度。图2.3-1 LCD逻辑电路图3 外围电路设计3.1 电源部分交流电220V经变压、整流、滤波后得到直流电5V，然后通过DCDC变换电路将直流电变为所需要的5V，5V除了给恒压控制回路和限流控制回路供电外，还经过DC-DC变换器得到3.3V直流电，3.3V直流电给单片机模块供电。整流电路的任务是将交流电变换成直流电，这里采用的是桥式整流电路。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，在此选用的是由电容、电感组合而成的复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，故电容、电感具有平波作用。图3.1-1 电源电路图3.2 总线部分总线是由philips公司提出的串行通信接口标准，该标准近年来在微电子通信控制领域被广泛采用。总线是一种同步通信方式，采用两线式串行总线，一条为串行数据线(SDA)，另一条为串行时钟线(SCL)。一个标准的总线通讯过程由四个部分组成：申请总线、建立通讯途径、数据传输过程和释放总线。总线空闲时，两条线均为高电平，不需加任何附加电路就可以实现多个器件的总线互连，但要求连接到总线上的器件输出端必须是集电极开路或漏极开路。3.2.1 总线控制时序总线上数据通讯能否井然有序，主要取决于总线上的时序是否符合总线的要求。总线对时序的要求十分严格，只要时序合理，传输误码率极低。数据传输时序如图3.2.1-1所示。3.2.1-1 总线控制时序图3.2.2 总线的硬件接口电路在本次设计中主器件为单片微控制器，每一个总线上的从器件都有唯一的地址，主从器件开始通讯前，主器件先下发从器件的地址，得到从器件的确认应答后再开始发送或接收有效数据；不是本器件的地址，将不响应数据线上的任何信息，这样就可以按要求有选择地实现通讯。3.2.3 总线的通讯数据格式总线在硬件基础上，总线上数据传输的通讯格式按照主器件接收和主器件发送数据两种情况，如表3.2.3-1和表3.2.3-2：表3.2.3-1 读操作时序表3.2.3-2 读操作时序3.3 24C系列串行与MCU接口电路设计图3.3-1 与51单片机连接的硬件设计电路24C系列串行和总线兼容，可以工作在100KHz和400KHz两种模式下。由于许多微处理器没有提供专门的12C总线接口部件，因此要实现与24C系列串行E2PROM的连接必须采用软件模拟方式，弥补硬件的不足，以完成总线的规程任何一种单片机均可通过软件模拟，实现与24C系列串行的连接。图3.3-1是本次设计的硬件线路图，MCU为主控器件，AT24C64为从器件，定义P16脚位数据总线(SDA)，P1.7脚为时钟信号线(SCL)。3.4 按键设计部分键盘是光功率计的控制部件，它主要完成以下任务：一是功能选择，用以根据工作要求选择程序的流向；二是初始置数，用以预置所测光的波长；三是仪器复位，由一专门的复位键完成。键盘控制具有实时性，在本次设计中主要是要满足去抖动的要求，因此，我们在编制键盘服务子程序时，采用了扫描与中断相结合的工作方式。由于本系统所要用到的键盘数量较少，采用独立式按键方式设计键盘，系统并且通过中断方式来获取键盘的状态。在此部分的设计中对按键处理的重要环节是去抖动，即除按下和弹起瞬间的抖动，而消除抖动后面临的更大问题就是解决按键的响应问题，包括按键的一次响应，下面从两个方面来进行相应的讨论。3.4.1 按键去抖动常用的按键由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时或断开时不会马上稳定下来，因而在闭合和断开的瞬间都伴随着一连串的抖动，如图3.4.1-1：抖动时间的长短由按键的机械特性来决定，一般为510 ms，在本次设计中去抖动的方法是采用延迟，具体方法就是在有按键按下时，利用软件延时10ms或稍长的时间(根据具体键的机械特性来确定)后再次检测按键是否按下，实际上是避开了按键按下时的抖动时间。实践证明，不对按键释放的抖动进行处理，也能满足设计的要求。图3.4.1-1 去抖波形图3.3.2 按键号的确认在判断出有键闭合的情况下，要根据读取的当前键值识别出闭合键的键号。键值是指该键闭合时产生的二进制代码，键号指键盘上各键的顺序编号。而按键的识别、键值的确定等，都靠软件来完成。其工作过程如下： 识别有无键闭合； 判别闭合键所在的列； 判别闭合键所在的行； CPU根据查得的按键特征编码转入与其对应的功能程序，以完成该键的操作功能。本系统共有6个键，K2为复位键，功能是为系统复位；键K3为中心波长设定键，用来对测量波长进行设置；键K4为单位切换键，用于选择功率电平的测量单位dbm,或单位W(包括mW，W，nW),键K5为测量零漂键；键K6为测量键，对光功率进行测量启动。系统具体的键盘接口电路如图3.4.2-1所示：图3.4.2-1 键盘接口电路3.5 上位机通讯电路USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)的英文缩写。USB总线接口作为外设的通用接口，硬件的结构相对简单，外围设备接口设计容易。USB口把当前PC固有的串口、并口、PS2(键盘鼠标接口)，甚至是SCSI等连接外部设备的总线接口统一为单一的USB总线接口。因此在工业自动化领域开发USB接口应用技术具有资源共享的特殊意义。本文采用PHILIPS公司的PDIUSBDl2芯片将USB接口传输技术应用到智能记录仪中，实现了对记录数据的安全传输，具有速度快、干扰小、安全性好等特点。PDIUSBDl2是一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。它完全符合USB 1.1版的规范。PDIUSBDl2通过总线方式与单片机的接口电路，接口电路设计如图3.5-1所示：图3.5-1 USB电路设计图3.6 显示器及其接口电路图3.6-1 LCD接口设计图LCMl2864LCD内置2片ks0108液晶显示驱动器，可显示64K的点阵图形，能与MCU直接接口：具有64K的内部存储器。它的优点是工作电压低、功耗低，其缺点是显示的清晰度和对比度低，响应速度较慢。LCD模块接口有数据总线、数据和指令读写线，如果数据总线直接和MCU相连，读写线和MCU的读写线相连，则称为直接控制方式，本次设计就是采用这种方式，其电路接口图如图3.6-1所示：4 软件部分只有对测量数据进行必要的处理才能保证采集数据的正确性，微处理器引入智能化仪表后，许多原来靠硬件电路难以实现的测量和数据处理方法，可以通过软件顺利解决。监控程序的主要作用是能及时的响应来自系统或仪器内部的各种服务请求，有效的管理测控系统本身软、硬件及人一机联系设备，与系统中其它设备交换信息，并在系统一旦出现故障时，及时做出相应的处理。监控程序的功能具体可归纳为：进行键盘和显示管理；接收中断请求信号；对定时器的管理；初始化，自动切换，掉电保护等。4.1 下位机程序光功率计的程序分为上位机和下位机两个部分，下位机部分采用KEIL C编写，为光功率计主体代码。上位机采用C编，主要用于校准光功率计，也可用于平常使用，但使用时需要下位机配合。下位机上电复位后首先进入监控主程序，在开始的时候要先进行MCU初始化，包括晶振电路的选择和配置、定时器、端口设置、AD转换、中断的开关等，然后再进入主循环，它的任务是识别命令、解释命令并获得完成该命令的相应模块的入口，并协调各部分软、硬件有条不紊地工作，光功率计系统主程序流程图见附录2所示。主程序片段如下：void main(void)SystcmInit()；StateInit()；GetBase(ALLBASE)；/从EEPROM中得到参数库while(1)/主处理switch(MySystemCRunMode)/根据运行模式选择子程序case MODELP：/普通光功率计测量模式(含dBm和mw两种方法显示)RunLpDispose0；/普通光功率计模式运行子程序break；case MODE LP DIFF：/差值计算测量模式RunLpDiffDispose0；break；case MODE SET ADDR：/机器地址设置模式RunSetAddrDispose0；break；case MODE RL：/回损仪测量模式RunRlDispose0；break；case MODE ADJ LP：/校准光功率计RunAdjLpDispose0；break；case MODE ADJ RL：/校准回损仪RunAajRIDispose0；break；default：RunLpDispose()；保护：普通光功率计模式运行子程序)4.1.1 按键中断处理函数由于本系统包含的按键不多，使用频率不高，系统采用中断扫描工作方式，当有键按下的时候会先进入相应的中断，然后再执行扫描判断是哪个按键被按下,即只有当有键按下时才执行扫描任务，这样可以提高CPU的效率，避免空扫描。程序片段如下：void ScanKey(void)unsigned char keybuff2；if(KCONNET一0)if(KEYDELAY-o)PKEY=0；P4&=INX0；keybuff0=P4；P4 I=INX0；P4&=INXl；keybuff1=P4；P4！=INX1；keybuff1=4；keybuff1&=OxFO；keybufl0&=OxOF；keybuff0+=keybuff1；if(keybuffO!=0xFF)KEYDELAY=KEYDELAYTIMES；PKEY=keybuffO；elseKCONNET=O；4.1.2 USB编程设备端的USB程序主要可分为两个大的步骤：USB设备的枚举和USB数据通信控制，如果要让一个USB主机或设备能够识别一个USB设备，必须经过枚举过程，主机使用总线枚举来识别和管理必要的设备状态变化。只有完成了枚举，USB设备才可以使用。使用了PDIUSBDl2的端点0、端点1和端点2，端点0采用控制传输的数据传输方式，端点1采用普通输入输出，端点2采用批量传输的数据传输方式。上、下位机通过USS口进行数据传输，上位机向单片机发送命令，下位机接到命令后将存在外部RAM(AT28C56)中的数据传到上位机中。void USBmain(void)usbserve0； /处理USB事件if(bEPPflagsbitseP2_rxdome=1)RxScrve()； /从端点2收到数据DISABLE()； /数据处理bEPPflagsbitsep2_rxdone=O； /清空端点2收到数据ENABLE()；4.1.3 A/D转换A/D转换后会自动进入相应的中断，以下是程序片段，开始的时候要进行AD初始化，使A/D能按照我们想要的工作方式进行工作。void AdcInit(void)unsigned char i；REFOCN=0x03； /使用ADC和DAC时BIASE位必须为1AMXOCF=Ox00； /所有的ADC为单端输入AMXOSL=0x00； /ADCIN0输入ADCOCF=Ox90； /采用外部时钟方式ADC CLK=2.4MHZADCOCN=0x80； /使能ADC，手动启动ADC，连续跟踪方式，右对齐PTESTAdcNum=O；PTESTAdcEnd=O；PTESTCOrgiAdc=O；/最后一次ADC转换测量的原值for(i=0；i3；i+)PTESTCAdci=0；PTESTCountVali=0；EIE2 |=0x02； /使能ADC0中断void AdcOInterrupt(void)interrupt 1 5PTESTAdcAveragePTESTAdcNum=(unsigmxi int)ADCOH0xoff9)&(ADCOCF&0x07)= 0x01)/如果adc数值在倍数临界点以上ADCOCF&=0Xf8； /PGA放大部数=1PTESTAdeNum=0； /全部数据放弃，重新采集elsePTEST.AdcNum+；)if(PTESTAdcNum=ADCAVERNUM) /采集10次以做平均数/10次采完，做平均值unsigned int i；unsigned long buf=O；for(i=O；iADCAVEI心UM；i+)buf+=PTESTAdcAveragei；buf=bufADCAVERNUM；PTESTCOrgiAdc=(unsigned int)buf；if(ADCOCF&0X010X01) /放大倍数2时PTESTCOrgiAde I=Ox8000；else/放大倍数1if(PTESTCOrgiAdc_0xof9)/adc数值小于临界点ADCOCF I=0X01；/PGA放大倍数2PTEST.AddNum=0：PTEST.AdcEnd=l；ADCOCN&=(0x20)；4.1.4 与通信与的数据传输主要有从读出数据和往里写数据。uchar AT24CxxWriteByte(uchar c) /写函数Uchar i；uchar ack；for(i=o；i8；i+)if(e&0x80)SET_sDA；elseCLR_SDA；EEPROM Dday(EDEALY)；SET_sCL；EEPROM_Delay(EDEALY)；CLR_SCL；C=1EEPROM_Delay(EDEALY)；EEPROM_Delay(5*EDEALY)；SET_SDA；EEPROM_Delay(EDEALY)；SET_SCL；EEPROM_Setlnput0；EEPROM_Delay(5*EDEALY)；If(P1&0x40)=0x40)ack=0；elseack=1；CLR_SCL；EEPROM_Delay(5*EDEALY)；EEPROM_SetOutput()；return ack；uchar AT24CxxReadByte(uchar*e,uchar ack) /读函数uehar i=o；uchar rct-O；SET_SDA；For(i=0；i8；i+)EEPROM_Delay(EDEALY)；CLR_SCL；EEPROM_Delay(EDEALY)；SET_sCL；EEPROM_Delay(EDEALY)；ret=1；EEPROMSetlnput()；EEPROM Delay(5*EDEALY)；if(P1&0x40)=0x40)ret+；CLR_SCL；EEPROM_Delay(EDEALY)；EEPROMSetOutput0；AT24Cxx_ack(ack)；*c=ret；return(ret)；5 总结以单片机C8051F020为核心的出光功率计的研制，并查阅了大量的相关资料。软件方面采用标准C51语言编程技术进行浮点和对数运算，提高了自己对已学只是的印象跟应用能力，为即将面对的社会生活打下基础。了解了当前的国际科技情形，同时提升了自己个人单独面临和处理问题的能力。但是由于经验不足，在这次设计过程中还是有很多不足的地方。设计的光功率计还是有缺点的。对中心波长的响应范围不够宽，测量范围比较窄。还需要大量的提高自己的能力来完善自己。附录1：设计原理图附录2：主程序流程图参考文献：1 霍伯牛、马永仁、唐 丽：光纤通信中的MODLED系列光源，国外电子元器件， 1998.11,P40-P412 赵长有、王红茹：稳定化光纤光源电路设计阴，世界电子元器件，2002.7，P56-P573 赵梓森：光纤通信工程，人民邮电出版社，1994，P120-P1214 林达权：数字光纤通信设备，西安电子科技大学出版社，1998，P1095 李学千：半导体激光器的最新进展及其应用，长春光学精密机械学院学报，1997，20(4)，P56P636 Railll、 Ahola：Pulsed diode laser time-flight rangefindingJ，北光通讯，1996， P23-P347 康华光：电子技术基础(模拟部分)，高等教育出版社，1992，P30-P318 管致中：电子测量仪器实用大全,东南大学出版社，1995，P89-P929 Analog：Devices Ltd AD8304,datasheetZ,2002，P18910 新华龙：C805lF020使用手册，P163-P16611 何立民：MCS-51系列单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社，1993,P55-P5412 邱关源：电路,高等教育出版社,1999,P56-P5812 曲学基、曲敬恺：稳定电源实用电路选编，电子工业出版社，2003，P90-P9914 胡汉才：单片机原理及接口技术,北京航空航天大学出版，1993，P101-P12915 黄锡珉：液晶显示技术发展轨迹J液晶与显示，2003，P7816 张 明、金宁德、赵 鑫：采用PDIUSBDl2实现USB高速数据传输测控技术，2005,P7-P10