C8051F320在的數(shù)字可調光衰減器設計中的應用

邢繼軍

（西北政法大學 經濟管理學院計算機系，陜西 西安710000）

0 概述

光衰減器（OA）是光通信中最基本的器件之一，其的主要功能是用來減低或控制光信號，即用于光通訊系統(tǒng)中指標測量，短距通信系統(tǒng)的信號衰減。光衰減器可分為固定光衰減器（FOA）和可調光衰減器（VOA）。固定衰減器成本低廉，但是使用不方便，靈活性差。隨著WDM技術近幾年的快速發(fā)展和應用， 光衰減器， 特別是可調光衰減器（VOA）在EDFA 增益均衡、DWMD 網絡光功率控制、光通訊線路、系統(tǒng)評估以及各種實驗中等方面起到越來越重要的作用。雖然目前國內外可調光衰減器種類較多，但是大多價格較貴，本文介紹一種造價低廉，高精度，穩(wěn)定性較好的光衰減器設計方案。

關鍵元器件選用AGILTRON 公司的MM 系列MEMS 可變衰減器，MM 系列VOA 是基于微電機械結構，驅動簡單，可直接利用電壓驅動，同時具有良好的光電特性，滿足Telcordia 1209 和1221 標準。在微控制器的控制下即可實現(xiàn)不同的驅動電壓從而實現(xiàn)光信號的衰減控制。

MM 系列VOA 的特性如下表：

波長范圍為C 和L 波段，其衰減范圍可達30dB 左右，插入損耗小于0.5dB，基本上滿足常規(guī)實驗和測試要求。

表1 電氣參數(shù)表

1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)以具有51 核的微控制器C8051F320 為核心，通過數(shù)模轉化DAC 來控制EVOA 實現(xiàn)光信號的衰減，輸出顯示部分為液晶模塊，輸入部分為四輕觸按鍵， 同時與上位機通訊接口采用USB 和RS232兩種接口。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

本衰減器由兩部分構成：微控制器（MCU）電路和衰減器（VOA）控制電路。

2.1 MCU 部分

MCU 選用Silabs 公司的C8051F320，其優(yōu)點如下：

1）采用高速8051T 微控制器內核，高速的流水線結構，70%的指令執(zhí)行時間為一個或兩個時鐘周期，速度可達25MIPS；

2）帶USB 接口，片內的USB 功能模塊符合USB2.0 規(guī)范，可在全速或低速下運行，并具有1KB USB 緩存、集成收發(fā)器，無需外部電阻；

3）內部存儲器有2304BYTE 的RAM，16KB 的FLASH；

4）片內調試電路提供全速，非侵入式的在線調試功能；

5）靈活的交叉開關譯碼器，可方便配置數(shù)字IO，以滿足各種IO設計需求。

MCU 部分主要由顯示，通訊，鍵盤三大部分組成。 另外額外的有C2 調試接口：C2D 與C2CLK， 故障或出錯報錯蜂鳴器等附件。 Silabs系統(tǒng)MCU 的C2 調試接口， 支持FLASH 編程， 邊界掃描和在系統(tǒng)調試，其與JTAG 類似，只是它將三個JTAG 數(shù)據(jù)信號（TDI，TDO，TMS）映射到一個雙向的C2 數(shù)據(jù)信號 （C2D）。 C2 接口配合Silabs 公司的USB DEBUG ADAPTER， 我們可以方便的在線調試程序并下載到C8051F320 的FLASH 中。

其MCU 系統(tǒng)的部分原理圖如下：

C8051F320 電源使用+3.3V, 內部振蕩器。 在USB 接口與C8051F320 之間使用ESD 保護芯片，USBLC6-4SC6。

IO 設置：

P0.3 用于控制蜂鳴器;

P0.4,P0.5 用于UART;

P1.0,P0.6,P0.7 用于控制DAC 芯片LTC8043;

P1.2,P1.3,P1.4 和P1.5 用于LCD 液晶模塊的;

P1.6,P1.7,P2.0 和P2.1 用于輸入輕觸按鍵;

P2.2 和P2.3 用于模擬I2C 接口與時鐘芯片通訊;

1） 顯示部分由段式液晶模塊構成： 本設計選擇北京青云LCM045A 液晶顯示模塊。該顯示模塊共有四位數(shù)字和一些特殊符號，基本滿足衰減數(shù)字的顯示要求。

圖2 C8051F320 部分原理圖

其引腳原理圖及引腳定義如下：

圖3 液晶原理圖

⑴/CS：模塊片選信號。

⑵/RD：模塊數(shù)據(jù)讀出控制線。 （未接）

⑶WR：模塊數(shù)據(jù)/指令寫入控制線。

⑷DATA：數(shù)據(jù)輸入/輸出。

⑸GND：地。

⑹VLCD：LCD 屏工作電壓調整，可調整視角對比度。

⑺VDD：電源。

⑻WDT 定時器輸出。

⑼BZ：壓電陶瓷蜂鳴器正極。

⑽/BZ：壓電陶瓷蜂鳴器負極。

⑾BL+：背光正極。

⑿BL：背光負極。

2）通訊部分有與上位機通訊的USB 通訊和RS232 串口，與內部時鐘芯片I2C 通訊三部分。傳統(tǒng)的控制設備與上位機通訊接口一般使用RS232，RS422/RS485 等接口，但是USB 以其易于安裝，配置，速度快，易于擴展，方便靈活等一系列的優(yōu)點越來越為許多設備采用。故本設計中與上位機通訊采用了兼容兩種接口的設計：RS232 和USB。

RS232 串口通訊相當簡單： 使用SIPEX 公司的RS232 收發(fā)芯片SP3223CY 配合適當?shù)碾娙荩?并加DB9 串口頭即可構成最簡單的RS232 通訊接口。

圖4 RS232 原理圖

USB 部分：使用C8051F320 內置集成的USB 接口。

內部I2C 通訊接口： 將MCU 的P2.3 和P2.4 模擬為I2C 總線的SDA 和SCL，MCU 做I2C 主 機，PCF8563 時 鐘芯片做I2C 從 機，MCU通過模擬I2C 時序與時鐘芯片進行的通訊，可設置使用時的時間。 平時未使用到光信號的衰減功能時，液晶屏顯示當前系統(tǒng)時間。 采用大容量的法拉電容，可以斷電保存時間。在校準設置系統(tǒng)時間后保存，并以正常時間運行。

圖5 時鐘芯片原理圖

3）鍵盤部分：有按鍵KEY0，KEY1，KEY2，KEY3 組成。 完成手動功能：

“加”：衰減值增加。

“減”：衰減值減少。

“校準”：按成衰減器的標定與校準。

“切換”：通訊接口切換，從USB 切換到UART 口。

2.2 VOA 部分

VOA 選用AGILTRON 公司的MM 系列MEMS 可變衰減器，可直接使用電壓驅動，由于C8051F320 無電壓型DAC，所以需要選擇合適的DAC 芯片來實現(xiàn)對VOA 的直接電壓驅動，DAC 芯片輸出不同的電壓值驅動VOA 就能控制光的衰減量。 在本設計中使用DAC LTC8043和運放LT1097。 LTC8043 是Linear 公司的串行12 位DAC 芯片，其簡單方便，高速的串行接口對用戶來說，其操作非常簡單，同時芯片輸出量精度高，其DNL 和INL 在±0.5LSB，增益誤差在±1LSB。 LT8043R 的管腳完全兼容DAC8043 和MAX543。

圖6 VOA 控制原理圖

3 FIRMWARE 設計

3.1 USB 模塊

使用Silabs 公司的USBXpress 軟件開發(fā)包，該軟件包不需要開發(fā)人員過多熟悉USB 協(xié)議和設備驅動的相關知道， 只需掌握客戶端和設備端的應用程序接口（Application Program Interface）API,編程只可以實現(xiàn)USB 通訊控制功能。 USBXpress 數(shù)據(jù)流如下圖：

在FIRMWARE 中調用Silabs 公司提供的相關頭文件:

c8051f320.h,

F32x_USB_Register.h,

F32x_USB_Main.h,

F32x_USB_Descriptor.h，

圖7 USB 流程圖

USB 工作在中斷模式下，當USB 中斷到達時，C8051F320 首先通過讀取USB 功能控制器的三個中斷寄存器CMINT、IN1INT 和OUT1INT 來判斷中斷來源（USB 復位中斷、端點0 中斷、端點1 輸入中斷、端點2 輸出中斷），然后根據(jù)不同的中斷來源跳入相應的處理模塊以進行不同的中斷處理，并在處理完畢后返回。

3.2 DAC 模塊

LTC8043 時序如下：

圖8 LTC8043 時序圖

通過C8051F320 的IO 來模擬產生相關以上時序，實現(xiàn)控制DAC LTC8043 功能。代碼如下：

4 測試結果

4.1 光衰減器的衰減量測試：假設光衰減器輸入光功率為P1，輸出光功率為P2，則光衰減器衰減量的計算公式為：

測試結果：誤差小于0.05dB

4.2 光衰減器的回波損耗是指入射到光衰減器中的光能量和衰減器中沿入射光路反射出的光能量之比，它是影響系統(tǒng)性能的一個重要指標。 設光衰減器的輸入光功率為P1，從光環(huán)行器另一端輸出的光功率為P2，則其計算公式為：

測試結果：小于45dB

5 結論

本系統(tǒng)充分利用了C8051F320 和EVOA 功能強大， 開發(fā)簡單的優(yōu)點，設計了一種低成本，使用方便的光衰減器。與國內外光衰減器相比，成本節(jié)約了1/2，而且對比測試，其精度，穩(wěn)定可靠性達到相當?shù)乃?，可使用于光纖通信系統(tǒng)指標測量、短距離通信系統(tǒng)的信號衰減以及系統(tǒng)實驗中。

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