蔣剛剛，薛 琳，朱 彤，邱德華，黃鶴松

(1.山東科技大學(xué)，山東青島 266590；2.山東力創(chuàng)科技股份有限公司，山東濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，在許多重要應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光參數(shù)具有愈加嚴(yán)格要求，尤其是激光功率、能量2個(gè)參數(shù)[1]。然而，傳統(tǒng)的激光功率計(jì)在測(cè)量精度和智能程度上存在很大的局限性，無(wú)法滿足醫(yī)療、科研等行業(yè)的應(yīng)用需求[2]。本文設(shè)計(jì)了一款基于LPC1754的高精度激光功率計(jì)，硬件上主要通過(guò)選擇合適的探測(cè)器和功能豐富的微控制器，并設(shè)計(jì)程控放大、濾波等調(diào)理電路；軟件上采用測(cè)量補(bǔ)償修正的原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的精確測(cè)量。

1 系統(tǒng)原理

目前用于激光功率測(cè)量的探測(cè)器主要有光電探測(cè)器、熱釋電探測(cè)器、熱電堆探測(cè)器[3]。光電型激光功率計(jì)利用光信號(hào)通過(guò)光電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得到光功率，光電型激光功率計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短，但這種功率計(jì)對(duì)各種不同波長(zhǎng)的輻射響應(yīng)不同，測(cè)量精度低[4]。熱釋電型激光功率計(jì)通常選用熱電晶體為熱敏單元，它產(chǎn)生與吸收熱量成正比的電壓信號(hào)，此類激光功率計(jì)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，使用壽命短。熱電堆型激光功率計(jì)利用內(nèi)部多個(gè)熱電偶吸收光功率，導(dǎo)致熱電偶測(cè)溫端溫度上升，熱電偶之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差Vn，在輸出端獲得它們的電壓之和，熱電堆型激光功率計(jì)響應(yīng)速度慢，靈敏度低，但它對(duì)各種不同波長(zhǎng)的輻射有較平坦的響應(yīng)，測(cè)量精度高[5]。

為實(shí)現(xiàn)高精度的激光功率測(cè)量，本設(shè)計(jì)選用熱電堆探測(cè)器。當(dāng)激光照射到熱電堆探測(cè)器表面時(shí)，探測(cè)器吸收輻射導(dǎo)致溫升，在其內(nèi)部的熱電堆上就形成一個(gè)對(duì)應(yīng)的溫度梯度，并產(chǎn)生一個(gè)與入射功率成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換和微控制器數(shù)據(jù)處理，將測(cè)量結(jié)果顯示到液晶屏上。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

激光功率的測(cè)量原理比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)使用的T型熱電堆型探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍很寬，探測(cè)波長(zhǎng)下限在220 nm左右，上限可以達(dá)到2 500 nm左右，在此范圍內(nèi)，響應(yīng)度隨波長(zhǎng)變化很小，響應(yīng)偏差小于2.7%，此范圍被認(rèn)為是線性響應(yīng)范圍，一般測(cè)量無(wú)需補(bǔ)償，在此波長(zhǎng)范圍外，通過(guò)補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行修正。在計(jì)算入射激光功率時(shí)使用下式[6]：

V=P·R·K(λ)·g

(1)

式中：V為探測(cè)器的輸出電壓，mV；P為測(cè)得的功率值，W；R為絕對(duì)響應(yīng)度，mV/W，在整個(gè)系統(tǒng)中R是一個(gè)固定值；K(λ)為響應(yīng)度補(bǔ)償系數(shù)，在線性響應(yīng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)無(wú)需補(bǔ)償，K(λ)=1；g為歸一化補(bǔ)償系數(shù)，未作修正時(shí)g=1。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器選擇

本設(shè)計(jì)選用的LPC1754FBD80是Cortex-M3微處理器，該處理器主頻高達(dá)100 MHz，片內(nèi)含512 KB字節(jié)的FLASH儲(chǔ)存器，64 KB字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4個(gè)UART，2個(gè)SPI接口，具有片內(nèi)資源豐富、功耗較低、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)作為便攜式測(cè)量?jī)x器的性能需求。

2.2 程控放大電路設(shè)計(jì)

熱電堆探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波后輸入到由運(yùn)放AD8221構(gòu)成的電壓跟隨器，AD8221具有較高的共模抑制比，可很好地抑制帶寬干擾，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度[7-8]。使用OP2117的一組運(yùn)放對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，使用多路模擬選擇開(kāi)關(guān)CD4052和電阻R6、R7、R8、R9作為程控放大器的反饋回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的不同倍數(shù)的放大[9]。OP2117的另一組運(yùn)放構(gòu)成偏置電路，為運(yùn)放AD8221、OP2117提供偏置電壓，偏置電壓為4.096 V/(R3+R4)R3=2.048 V，以保證A/D的輸入信號(hào)為正電壓，ADin為程控放大電路的輸出信號(hào)。程控放大電路如圖2所示。

圖2 程控放大電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。A/D轉(zhuǎn)換電路選用的AD7193是一款高分辨率、低噪聲的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，均方根噪聲為11 nV，這些特性保證了高精度信號(hào)的穩(wěn)定輸出[10]。參考電壓源REF1941的輸出電壓為4.096 V，為A/D轉(zhuǎn)換器提供精確穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。通過(guò)AD7193的差分輸入通道AIN1、AIN2，將程控放大器的輸出電壓ADin經(jīng)過(guò)RC濾波后送入AD7193，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，以SPI通信方式將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送入LPC1754微控制器。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

BQ24072輸出3.7 V電壓分為2路：一路經(jīng)升壓芯片MC34063及外圍電路將3.7 V轉(zhuǎn)換為5 V，為L(zhǎng)CD、運(yùn)放OP2117等器件供電，并采用穩(wěn)壓芯片AMS1117將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，為L(zhǎng)PC1754和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7193供電；另一路經(jīng)升壓芯片LT3467及R21、R22輸出±16.25 V給運(yùn)放AD8221供電。電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

2.5 其他電路

選用像素為320×240的4英寸定制液晶模塊HSM320240A-B，將需要顯示的當(dāng)前激光功率值和單位等信息顯示于定制的液晶屏。

使用FM25L16作為非易失性存儲(chǔ)器，用于保存預(yù)先配置的可選量程、補(bǔ)償系數(shù)等參數(shù)，使這些參數(shù)掉電時(shí)不丟失。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

激光功率計(jì)的軟件由主程序和多個(gè)子程序構(gòu)成，子程序包括按鍵子程序、A/D數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、液晶顯示子程序和通信子程序等。

3.1 主程序

儀器上電后，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)初始化進(jìn)入系統(tǒng)定時(shí)檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)上電后的通信狀況、LCD背光、電池電量等進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)允許與AD7193數(shù)據(jù)輸出引腳相連的GPIO中斷，當(dāng)GPIO中斷發(fā)生時(shí)，在中斷服務(wù)子程序中接收AD7193的輸出數(shù)據(jù)，并存放到測(cè)量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如果緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)為空，則進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)非空，則進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序，并將計(jì)算的功率值進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 子程序

本激光功率計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)的精確測(cè)量主要通過(guò)按鍵子程序和數(shù)據(jù)處理子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中共使用10個(gè)按鍵，通過(guò)按鍵掃描，分別實(shí)現(xiàn)探頭型號(hào)的選擇(T02、T20、T200)、測(cè)量功能的選擇(功率、平均功率)、激光波長(zhǎng)的選擇(通用、特定波長(zhǎng)值)、量程的選擇、補(bǔ)償系數(shù)的選擇與設(shè)置，另有4個(gè)導(dǎo)航鍵，用于補(bǔ)償系數(shù)的手動(dòng)設(shè)置，外加一個(gè)確定鍵。在數(shù)據(jù)處理子程序中，當(dāng)量程選擇按鍵選擇某一特定量程時(shí)，LPC1754控制74HC4052模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)地址端選擇相應(yīng)的放大倍數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果采集數(shù)據(jù)與當(dāng)前量程不匹配，控制模擬開(kāi)關(guān)對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。LPC1754對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)10次記錄然后取平均值，得到均值后根據(jù)響應(yīng)度以及補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算出激光功率值。不同型號(hào)探頭與可選量程的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

4 誤差分析與校準(zhǔn)

為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，擴(kuò)大測(cè)量的范圍，需要針對(duì)測(cè)量環(huán)境或附加波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行修正。本設(shè)計(jì)通過(guò)軟件處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償，液晶顯示屏直接顯示修正后的測(cè)量結(jié)果數(shù)值。

表1 探頭與量程關(guān)系表

4.1 歸零補(bǔ)償

歸零補(bǔ)償功能是從信號(hào)中消除背景干擾可能導(dǎo)致的偏差。如果測(cè)量環(huán)境中存在一個(gè)熱輻射背景，則當(dāng)沒(méi)有激光照射時(shí)，液晶也會(huì)顯示一個(gè)非零的功率讀數(shù)，此時(shí)，當(dāng)確定按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在原始測(cè)量結(jié)果中減去這個(gè)偏差，消除背景干擾，保證測(cè)量的功率值精確有效。

4.2 波長(zhǎng)響應(yīng)度補(bǔ)償

當(dāng)測(cè)量激光波長(zhǎng)不在線性響應(yīng)范圍時(shí)，直接測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，在保證精度的同時(shí)，為了擴(kuò)大激光功率計(jì)的測(cè)量范圍，預(yù)先設(shè)置一組激光波長(zhǎng)補(bǔ)償系數(shù)，當(dāng)激光波長(zhǎng)選擇按鍵選定波長(zhǎng)后，相應(yīng)波長(zhǎng)的響應(yīng)度補(bǔ)償系數(shù)K(λ)被選定，通過(guò)式(1)計(jì)算，測(cè)得精確功率值。

4.3 歸一化補(bǔ)償

同一型號(hào)不同探頭的靈敏度存在差異，當(dāng)測(cè)量?jī)x器更換探頭或探頭使用時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致靈敏度降低時(shí)，使用原始測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值歸一化的方法，對(duì)激光功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。使用標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)與設(shè)計(jì)激光功率計(jì)對(duì)同一激光進(jìn)行測(cè)量，將設(shè)計(jì)激光功率值與標(biāo)準(zhǔn)激光功率值做商，得到的便是歸一化補(bǔ)償系數(shù)g，通過(guò)按鍵操作將補(bǔ)償系數(shù)輸入功率計(jì)，代入式(1)，即得到歸一化后的功率值。

5 系統(tǒng)測(cè)試

選用可調(diào)激光器，調(diào)節(jié)激光器的輸出功率，使用標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)標(biāo)定出一組固定的功率值，做好記錄。然后對(duì)激光器輸出的標(biāo)準(zhǔn)固定功率值同樣輸入到本激光功率計(jì)，開(kāi)始測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)。在測(cè)量時(shí)，注意探頭型號(hào)的選擇與更換。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)量的激光功率值與標(biāo)準(zhǔn)激光測(cè)量值相差較小，測(cè)量相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)，測(cè)量范圍可達(dá)0.01～100 W，同時(shí)還可以看出在此測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量相對(duì)誤差隨著測(cè)量功率值的增加而減小。

表2 測(cè)試結(jié)果

因此，本設(shè)計(jì)的基于LPC1754微控制器的激光功率計(jì)可很好地滿足實(shí)際工程對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量范圍的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于LPC1754微控制器的高精度激光功率計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)較寬范圍波長(zhǎng)功率的精確測(cè)量，同時(shí)對(duì)多種測(cè)量誤差進(jìn)行了補(bǔ)償和修正，使測(cè)量精度大幅提高。本激光功率計(jì)設(shè)計(jì)了可靠的充電管理系統(tǒng)，通過(guò)外部設(shè)備對(duì)兩節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，增加了系統(tǒng)的供電可靠性，同時(shí)也使設(shè)計(jì)的儀器的便攜性得到增強(qiáng)。該激光功率計(jì)在醫(yī)學(xué)、科研、教育等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價(jià)值。