基于MSP430的高精度光照功率計設(shè)計

王 磊，朱 可，王 軍,，何 昕

(1. 蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009;2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

傳統(tǒng)固化行業(yè)采用高壓汞燈快速固化，但污染嚴(yán)重，逐漸被LED燈所取代。傳統(tǒng)檢測LED光功率采用的是積分法，采用固定時間段內(nèi)檢測光能量除以固定時間得到平均光功率。此方法采集的光能量存在采集誤差，求得平均值后的光功率也只能表示固定時間段內(nèi)光功率的平均值，與實時值存在誤差；在軟件除法處理中存在誤差，進(jìn)一步擴(kuò)大了誤差。

為提高光功率計的精確度，本文采用光電傳感器轉(zhuǎn)換的紫光信號，經(jīng)過負(fù)反饋電流放大、差分放大和濾波電路，并通過24位高精度AD芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，結(jié)合遞推平均濾波法和中位值平均濾波算法得到精確的光功率值，并在LCD上顯示實時數(shù)值和測量曲線。實驗證明，所設(shè)計的光照功率計誤差低于0.3%，具有功耗低、系統(tǒng)穩(wěn)定、顯示界面友好的優(yōu)點，可以存儲測量數(shù)據(jù)，顯示光功率曲線。

2 總體設(shè)計

高精度光照功率計包括前端光照采集、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲和顯示4部分。光電傳感器將光轉(zhuǎn)換成微弱電流信號，經(jīng)過負(fù)反饋電流放大電路、差分放大和濾波電路轉(zhuǎn)換成電壓信號[1-2]，經(jīng)過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，主控制器通過數(shù)字濾波將數(shù)據(jù)存儲，并將功率值實時顯示在屏幕。按鍵可以切換顯示界面內(nèi)容。總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Block diagram of system

圖2 光照前端采集電路圖Fig.2 Circuit diagram of optical collection

3 功率計硬件設(shè)計

3.1 校零光檢測前段采集電路設(shè)計

在圖2(b)所示電路中，硅光傳感器D2將光轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過R1精密電阻和U2放大器構(gòu)成的負(fù)反饋電流放大電路后輸出(Vout)b，且

(Vout)b=-(ID2×R1)，

(1)

系統(tǒng)電壓噪聲頻譜密度為(1 μA電流轉(zhuǎn)1 V信號)：

(2)

其中電阻熱噪聲：

(3)

其中：k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度[3]，由式(2)得系統(tǒng)電壓噪聲頻譜密度為：

由于采集探頭存在環(huán)境光的暗電流，所以為提高采集精度，需要將暗電流消除。圖2中(a)部分在(c)部分的差分放大電路的負(fù)端接入一個可編程的DA芯片輸出可調(diào)電壓以消除探頭中的暗電流，實現(xiàn)校零功能。經(jīng)過運算放大后(Vout)c:

(4)

其中：V環(huán)境為軟件校零DA輸出的電壓，濾除環(huán)境光中的暗電流噪聲。

3.2 24位高精度采集電路設(shè)計

24位高精度AD采集芯片具有單端采集、差分采集等多種模式，傳統(tǒng)的單端采集一端接入處理后的電壓信號，一端接地，但是此方法接地回路干擾較大、抗環(huán)境共模干擾能力較低，所以采用差分采集模式。可編程AD芯片設(shè)置采集增益為1，更新速率為4.17 Hz時，均方根噪聲為40 nV。將圖2(c)部分輸出的(Vout)c單端電路轉(zhuǎn)為圖3差分電路,圖中R2=R3、R1=R4、R6=R7、R5=R8，從而差分電壓兩端輸出電壓為：

(V)+=(Vout)c+1.25，

(5)

(V)-=-(Vout)c+1.25，

(6)

MSP430主控制器通過SPI接口配置AD7793[4]，并且讀取差分轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

圖3 單端轉(zhuǎn)差分采集電路圖Fig.3 Circuit diagram of differential acquisition

4 功率計軟件設(shè)計

4.1 AD采集及校零算法設(shè)計

在環(huán)境光下，由于暗電流，硅光傳感器輸出存在環(huán)境噪聲，通過AD采集，此時會在顯示屏上顯示一個環(huán)境光功率，通過校零，MSP430主控制會通過DA產(chǎn)生一個對應(yīng)的電壓，通過減法電路，濾除環(huán)境光帶來的暗電流，循環(huán)執(zhí)行直到在檢測環(huán)境下顯示屏上顯示實時功率為0完成校零[5-7]，流程圖如圖4所示。

圖4 校零流程圖Fig.4 Flowchart of check to 0

4.2 數(shù)字濾波算法設(shè)計

本文融合遞推和中位值平均濾波算法的優(yōu)點，有效抑制周期性干擾，且平滑度較好。將連續(xù)采集的N個光功率P看成一個隊列，隊列長度固定為N。每次采樣到一個新的紫光功率Pn數(shù)據(jù)放入隊尾，去掉隊首的Pn-10。然后將{Pn-9,Pn-8,…,Pn}N個功率P進(jìn)行冒泡排序，去掉Pmax和Pmin，再將隊列中的N-2個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運算:

(7)

就可獲得當(dāng)前功率值,流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字濾波流程圖Fig.5 Flowchart of digital filter

4.3 LCD曲線平滑算法設(shè)計

直接將光功率值顯示，曲線尖銳，而實際應(yīng)用中光功率的測量變化趨勢更為重要，采用Savitzky-Golay濾波器[8]將測量值濾波后曲線顯示平滑。采集到的光功率值P(N)中連續(xù)的一組數(shù)據(jù)為P(n)，其中n=-M,-(M-1),…,0,…,M-1,M。將這組數(shù)據(jù)濾波后得到y(tǒng)(n)，確定式(8)中a0,a1,…aT系數(shù)可確定y(n)多項式：

(8)

直接計算多項式的所有系數(shù)比較復(fù)雜，由于式(8)中y(0)=a0，為降低MSP430運算復(fù)雜度，減小功耗，只需求a0系數(shù)求出P(i)數(shù)據(jù)中心值P(0)的擬合值y(0)。然后將選取的P(i)當(dāng)作一個“窗口”往右平移求中心值，最終得到P(N)濾波后的數(shù)據(jù)y(N)。y(N)與P(N)存在擬合誤差，設(shè)總的誤差平方和為

(9)

為使擬合曲線誤差最小，令E對各系數(shù)的導(dǎo)數(shù)為0，即

(10)

(11)

在實際過程中，根據(jù)多次嘗試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T=3，M=3時效果最佳，從而得：

(12)

將擬合出的值通過畫點函數(shù)在LCD屏幕上顯示[0]。

5 實驗結(jié)果與分析

本文前端采集電路與傳統(tǒng)法對比，通過示波器可以看出，圖6光電傳感器信號放大濾波后，信號穩(wěn)定，紋波小于20 mV,有效濾除了環(huán)境噪聲；而圖7傳統(tǒng)法信號紋波高達(dá)100 mV，包含有50 mV環(huán)境噪聲。

圖6 本設(shè)計放大濾波后信號Fig.6 Waveform of our amplification filter

圖7 傳統(tǒng)放大濾波后信號Fig.7 Waveform of traditional amplification filter

在相同測試環(huán)境下，用傳統(tǒng)法牛尾的檢測儀器和本測試法的儀器對同一個面光源在不同強度下進(jìn)行檢測，所得數(shù)據(jù)如表1所示。從測試數(shù)據(jù)中可知，牛尾的測試值總是比光譜儀測的實際值大，這是由于其中的環(huán)境噪聲未濾除所導(dǎo)致，而本文所測的數(shù)據(jù)與標(biāo)稱值誤差小于0.3%，兩種測試數(shù)據(jù)與標(biāo)稱值對比誤差如圖8所示。

圖8 面光源不同強度下檢測數(shù)據(jù)及誤差分布圖Fig.8 Graph of two detecting methods under different luminance error

表1 同一光源不同強度兩種檢測方法測得數(shù)據(jù)

Tab.1 Results of two detecting methods under different luminance with LED (mW·cm-2)

光源強度本設(shè)計傳統(tǒng)法146146157232232242301301314382383393460459469532532545599598612680682700737736753805807823

為消除測試的偶然誤差，同一測試環(huán)境下，同一面光源，針對232，460，680 mW/cm2三個代表性強度，兩個檢測儀器分別檢測10，30，50次，所得測試數(shù)據(jù)平均值如表2所示，誤差曲線如圖9所示。測試數(shù)據(jù)可知校零光檢測前段采集電路能夠消除環(huán)境噪聲，并且精度高，誤差小。

表2 同一光強不同強度兩種檢測方法多次測的數(shù)據(jù)平均值

Tab.2 Average value of two detecting methods under different luminance with LED (mW·cm-2)

LED光源強度測試次數(shù)本設(shè)計平均值傳統(tǒng)法平均值10231.4241.223230232.5243.250231.8242.910460.8470.246030459.1469.450459.3469.810681.9697.268030681.5700.750681.7699.4

圖9 面光源不同強度下多次檢測數(shù)據(jù)誤差分布圖Fig.9 Graph of two detecting methods under different luminance and repeatedly detecting error

圖10 未濾波曲線Fig.10 Waveform without filter

圖11 濾波后曲線Fig.11 Waveform with filter

針對存儲一次檢測的數(shù)據(jù)在LCD上模擬出曲線，圖10是直接將數(shù)據(jù)顯示在LCD上，圖11是將數(shù)據(jù)經(jīng)過Savitzky-Golay數(shù)字濾波器后顯示的LCD。對比可看出曲線明顯平滑，并且曲線特性也顯示在LCD上。

6 結(jié) 論

經(jīng)過多次測量數(shù)據(jù)對比，本設(shè)計采用的環(huán)境噪聲濾除、負(fù)反饋電流放大前置采集電路能有效濾除環(huán)境噪聲；采用的24位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換和多數(shù)字濾波器相融合的方法能顯著提高光源光功率的采集精度和穩(wěn)定度，可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)LED光功率測量領(lǐng)域。