2  主要模塊電路設(shè)計(jì)

2.1  數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

虛擬光功率計(jì)的數(shù)據(jù)釆集采用的是圖2所示的程控比例放大電路，圖中的光電二極管采用北京海特光電生產(chǎn)的PIN30613,該光電管工作于光伏方式，此電路可以避免PN結(jié)正向電流(即暗電流)帶來(lái)的影響并使光電二極管得到最佳的信噪比,被放大的信號(hào)只與光強(qiáng)成正比。

電路中的放大芯片采用MAX4238,其輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流和溫漂系數(shù)等參數(shù)都非常符合設(shè)計(jì)要求,使用零偏負(fù)反饋電路把光電二極管轉(zhuǎn)換出來(lái)的電流信號(hào)用程控負(fù)反饋放大電路把電壓信號(hào)進(jìn)一步放大到后續(xù)電路所需要的量程，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。放大電路采用量程自動(dòng)切換是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的重要組成部分，它使測(cè)量過(guò)程自動(dòng)迅速地選擇在最佳量程上,這樣既能防止數(shù)據(jù)溢出和系統(tǒng)過(guò)載，又能防止讀數(shù)精度損失。

2.2  模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)試精度的重要組成部分口：，根據(jù)測(cè)試誤差3%的要求，本系統(tǒng)采用了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7715,它是三線串行可控A/D轉(zhuǎn)換器，模擬信號(hào)從AIN+口輸入，單片機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算后通過(guò)對(duì)CD4051發(fā)送控制指令來(lái)選擇不同的反饋電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大信號(hào)輸入采用小放大倍數(shù),對(duì)小信號(hào)則采用高放大倍數(shù)，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動(dòng)地選擇合適的增益以達(dá)到自動(dòng)量程選擇的目的。放大信號(hào)通過(guò)串行口AIN+進(jìn)入AD7715,輸出的信號(hào)送到控制芯片和USB接口芯片，通過(guò)上位機(jī)LabVIEW控制軟件去上位機(jī)顯示。

由于采用了AD7715作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,通過(guò)測(cè)試表明:該儀器的測(cè)試精度可以達(dá)到2%,符合高精度測(cè)試儀表的要求,具有很高的實(shí)際使用價(jià)值和參考價(jià)值。圖3所示是其A/D轉(zhuǎn)換電路圖

3  AN2131的軟件設(shè)計(jì)

由廠家提供的AN2131軟件開(kāi)發(fā)包為芯片的軟件設(shè)計(jì)提供了比較完備的程序框架和例程庫(kù),其軟件組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

AN2131固件應(yīng)該要完成USB通訊協(xié)議的基本功能，并接受主機(jī)的要求，控制后端AD、DA芯片完成測(cè)試任務(wù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線發(fā)回主機(jī)瓦。圖5列出了基本框架流程。首先它將初始化內(nèi)部狀態(tài)變量，然后，調(diào)用用戶(hù)初始化函數(shù)TD_Init()。從該函數(shù)返回后，框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔Is進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉，直到端點(diǎn)0接收到一個(gè)SETUP包。一旦檢測(cè)到SETUP包,框架將開(kāi)始交互的任務(wù)調(diào)度，其任務(wù)調(diào)度如下：

首先是調(diào)用主函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能；

其次，判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求等待處理。如果有，則分析該請(qǐng)求并響應(yīng)之；

三是判斷USB內(nèi)核是否接收到USB掛起信號(hào)，如果接收到，則調(diào)用掛起函數(shù)TD_Suspend()。從該函數(shù)成功返回后(返回值為T(mén)RUE),再檢測(cè)是否發(fā)生USB喚醒事件;如果未檢測(cè)到，則處理器進(jìn)入掛起方式，如果檢測(cè)到，則調(diào)用喚醒函數(shù)TD_ResumeO,程序繼續(xù)運(yùn)行。假如從TD_Suspend()函數(shù)返回為FALSE,則程序繼續(xù)運(yùn)行。

4  LabVIEW界面

在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，圖形編程語(yǔ)言中的基本編程單元是VI(VirtualInstrument，虛擬儀器)，VI包括三個(gè)部分:前面板(FrontPanel)、框圖程序(Block-Diagram)以及圖標(biāo)(Icon)/連接器(Connector)。

5  虛擬光功率計(jì)前面板

本虛擬光功率計(jì)的前面板開(kāi)發(fā)窗口如圖6所示。

前面板既接受來(lái)自框圖程序的指令，又是用戶(hù)與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個(gè)窗口模擬真實(shí)儀表的前面板，用于設(shè)置輸入和觀察輸出，輸入量稱(chēng)為控件(Controls),用戶(hù)可以使用多種圖標(biāo),如旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖表、文本框、圖形等,創(chuàng)建一模一樣的控制面板。

本虛擬儀器的最終效果如圖7所示。其中包括一個(gè)波形Graph指示器，可用以顯示輸出波形及數(shù)據(jù)表格，同時(shí)還有幾個(gè)開(kāi)關(guān)。

6  結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)光功率測(cè)量的數(shù)據(jù)采集卡,研究了USB通訊協(xié)議和WDM驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，并且編寫(xiě)了實(shí)現(xiàn)USB傳輸功能的單片機(jī)固件和計(jì)算機(jī)端的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。利用LabVIEW與NI-VISA實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的USB接口數(shù)據(jù)釆集板與主機(jī)的通訊，編寫(xiě)了虛擬儀器程序?qū)崿F(xiàn)光功率計(jì)的功能。測(cè)試結(jié)果表明：所開(kāi)發(fā)的基于LabVIEW和USB接口的虛擬光功率計(jì)可以正常運(yùn)行,其采樣速度為500次/s,系統(tǒng)總體誤差在2%以?xún)?nèi)。整個(gè)系統(tǒng)可以在硬件和軟件方面進(jìn)行一些升級(jí)改動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能。