摘  要： 基于STM32采用等精度測頻方法設(shè)計(jì)了一種可用于光信號檢測的裝置。該裝置由供電模塊、光轉(zhuǎn)頻模塊、頻率測量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成，其中，被測光信號在光轉(zhuǎn)頻模塊中通過硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號，經(jīng)放大和濾波處理后輸入AD650轉(zhuǎn)換成頻率信號。頻率測量模塊使用ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32F103RBT6作為處理器，結(jié)合一個(gè)D觸發(fā)器，對光轉(zhuǎn)頻模塊輸出的頻率信號進(jìn)行等精度測頻，測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置測得的頻率信號均與光功率之間成很好的線性關(guān)系，與示波器測量結(jié)果亦相吻合，證明了本裝置可對光信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。相對于常用的頻率測量法，本裝置具有測量誤差小的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： STM32；等精度測頻；光信號

　隨著環(huán)境保護(hù)呼聲的日益高漲，實(shí)時(shí)、在線、小型便攜和可用于現(xiàn)場監(jiān)測是未來環(huán)境監(jiān)測儀器的主流發(fā)展方向[1-2]。近年來，越來越多的科技工作者致力于研究小型便攜的專用光度計(jì)[3-6]，其中，常選用硅光電二極管、壓轉(zhuǎn)頻芯片將光信號轉(zhuǎn)為頻率信號，因此，如何準(zhǔn)確測量頻率信號，關(guān)系到這些便攜式儀器的準(zhǔn)確性。常用的頻率測量方法有頻率測量法和周期測量法[7]兩種。頻率測量法是在設(shè)定時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)被測信號的脈沖數(shù)N，因此被測信號F=N/t。周期測量法是先測量出被測信號的周期T，然后根據(jù)頻率F=1/T算出被測信號的頻率。這兩種方法均會產(chǎn)生±1個(gè)被測脈沖的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，頻率測量法適合于高頻信號測量，而周期測量法適合于低頻信號測量，二者不能兼顧高低頻率同樣精度的測量要求[8]。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 裝置組成
　本文設(shè)計(jì)的光信號檢測裝置如圖2所示，包括供電模塊、光轉(zhuǎn)頻模塊、頻率測量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。該裝置中，被測光信號通過硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號，經(jīng)放大和濾波處理后輸入AD650壓頻轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成頻率信號Fx。測頻模塊由STM32單片機(jī)及其外圍電路外加一個(gè)D觸發(fā)器組成，利用STM32自帶的通用定時(shí)器2（TIM2）配置成脈寬調(diào)制（PWM）輸出模式，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)方波脈沖F0，通用定時(shí)器3（TIM3）對F0進(jìn)行計(jì)數(shù)，高級定時(shí)器1（TIM1）對待測脈沖Fx進(jìn)行計(jì)數(shù)。采用一個(gè)D觸發(fā)器做門控開關(guān)，使TIM1和TIM3同時(shí)在Fx的某一上升沿開啟，第Nx個(gè)上升沿關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量。經(jīng)運(yùn)算處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。整個(gè)裝置所需的+3.3 V、+5 V、±15 V幾路電壓均由電源模塊提供。

1.2 光轉(zhuǎn)頻模塊
　通常，在對光信號進(jìn)行測量時(shí)，一般利用光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號，微弱電信號被放大后通過A/D轉(zhuǎn)換或者壓頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后輸送至單片機(jī)進(jìn)行處理。本裝置采用響應(yīng)快、靈敏度高、性能穩(wěn)定、測量線性好、噪聲低的日本濱松集團(tuán)生產(chǎn)的硅光電二極管S1226-8BK將光信號轉(zhuǎn)為微弱電流信號，經(jīng)后續(xù)幾個(gè)運(yùn)算放大器處理成穩(wěn)定的直流電壓信號，最后用壓轉(zhuǎn)頻芯片轉(zhuǎn)為頻率信號。光轉(zhuǎn)頻電路原理圖如圖3所示，硅光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成微弱電流信號Id，通過AD795進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)成電壓信號Vout，Vout=IdR1（1+R3/R2），采用AD706雙通道運(yùn)算放大器，一個(gè)通道進(jìn)行電壓跟隨以提高帶負(fù)載能力；另一個(gè)通道搭接成壓控電壓源二階低通濾波電路，濾除工頻及其他雜波而得到直流信號，最后通過AD650進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換得到頻率信號Fx。

　光轉(zhuǎn)頻模塊采用的AD795是一款低噪聲、精密、FET輸入運(yùn)算放大器。它既具有雙極性輸入運(yùn)算放大器的低電壓噪聲和低失調(diào)漂移，又具有FET輸入器件的極低偏置電流。其最大輸入偏置電流僅2 pA，最大失調(diào)電壓為500 μV。AD706是一款雙通道、低功耗、雙極性運(yùn)算放大器，通道1用來實(shí)現(xiàn)電壓跟隨，通道2用來做二階壓控有源濾波。AD650工作頻率高，V/F變換工作頻率可達(dá)1 MHz；其非線性度低，滿度輸出頻率為100 kHz時(shí)，非線性度僅0.005%。
1.3 頻率測量模塊
　本裝置基于STM32的定時(shí)器，結(jié)合一個(gè)D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)等精度頻率測量。STM32F103RBT6芯片具有一個(gè)高級定時(shí)器（TIM1）和3個(gè)通用定時(shí)器（TIM2~TIM4）。在本設(shè)計(jì)中，把TIM2配置成PWM輸出模式產(chǎn)生基準(zhǔn)脈沖F0，其頻率可在0~72 MHz范圍內(nèi)配置，本檢測裝置配置成1 MHz。把TIM3配置成計(jì)數(shù)器模式，選中觸發(fā)（TRGI）的上升沿作為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘，即當(dāng)輸入通道引腳上的F0脈沖來一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)值加（或減）1。高級定時(shí)器TIM1的配置方法與TIM3類似，TIM1計(jì)數(shù)Fx。
　定時(shí)器與D觸發(fā)器連接示意圖如圖4所示，被測信號Fx既是TIM1輸入信號又作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號，可使閘門開和關(guān)都在Fx的上升沿，保證了TIM1計(jì)數(shù)Fx脈沖數(shù)的精準(zhǔn)性。TIM1的進(jìn)位輸出通過取反后接到D觸發(fā)器的輸入再到定時(shí)器的使能端，使TIM1和TIM3既能同時(shí)開啟又能同時(shí)關(guān)閉。整個(gè)過程可以這樣來表述：最初，TIM1計(jì)數(shù)前，進(jìn)位輸出Cout為0，取反變?yōu)?后傳給D觸發(fā)器的輸入端，D觸發(fā)器輸出1使能兩個(gè)定時(shí)器，把閘門打開，TIM1和TIM3開始計(jì)數(shù)，待TIM1計(jì)滿或計(jì)到設(shè)定值時(shí)便產(chǎn)生進(jìn)位輸出1（或標(biāo)志位置1），取反后變?yōu)?輸給D觸發(fā)器，此時(shí)，D觸發(fā)器輸出0使能兩個(gè)定時(shí)器，閘門關(guān)閉，TIM1和TIM3結(jié)束計(jì)數(shù)。讀取此時(shí)的兩計(jì)數(shù)器寄存器中的計(jì)數(shù)值，按Fx=（Nx×F0）/N0進(jìn)行運(yùn)算便可得出待測頻率值Fx。
　本裝置的測頻軟件流程如圖5所示。

1.4 數(shù)據(jù)顯示模塊
　為了方便，在本裝置中用串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)并直接用串口調(diào)試助手在上位機(jī)串口打印。在實(shí)際例子或產(chǎn)品中可改為液晶屏或其他方式顯示。
1.5 電源模塊
　本裝置中使用的AD795、AD706以及AD650的供電電源為±15 V。本裝置利用MAX743芯片將筆記本的USB口+5 V轉(zhuǎn)化成±15 V電壓供電。原理圖如圖6所示。STM32芯片所需的+3.3 V電壓，利用一片AMS1117-3.3將USB口+5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V供電。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
2.1 本裝置與示波器測頻結(jié)果對比
　利用STM32單片機(jī)上的定時(shí)器在1 kHz~26 MHz范圍內(nèi)產(chǎn)生33個(gè)不同頻率的脈沖作為待測信號Fx，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本裝置分別對Fx進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示。圖7表明，本裝置測量值與示波器測量值呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)R值為1，斜率為0.998 9，說明本裝置對頻率信號測得值與示波器測得值相吻合?？梢?，采用本裝置測量1 kHz~26 MHz范圍的頻率信號是準(zhǔn)確的。

2.2 本裝置對光信號的測量
　為了考察本裝置對光信號測量的準(zhǔn)確性，本研究選用中心波長分別為630 nm、520 nm和390 nm的LED光源提供不同波長的測量光信號，通過滑動串聯(lián)的變阻器改變接入電路中的阻值改變LED輸出光信號強(qiáng)度。本研究采用光功率值大小表征光信號強(qiáng)度，LED輸出光功率利用OPT-1A功率指示計(jì)測量。采用本裝置和示波器測定不同光功率下的光輸出信號，結(jié)果如表1所示。表1表明，對所測量的3種波長光信號，示波器和本裝置對光信號的測得值均與光信號呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，且兩者的斜率比非常接近1.0，說明本裝置用于實(shí)際光信號的測量，測得的頻率信號可線性地反映光強(qiáng)度大小，且測得值與示波器測得值無顯著差異。

　本文基于STM32等精度測頻原理設(shè)計(jì)了一種光信號檢測裝置并進(jìn)行了驗(yàn)證。該裝置對1 kHz~26 MHz范圍內(nèi)的不同頻率信號進(jìn)行測量，與示波器測得值完全吻合。本裝置對中心波長為630 nm、520 nm和390 nm 的LED光源發(fā)出的光信號為測量的結(jié)果與光功率（強(qiáng)度）成很好的線性關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R>0.99）。本裝置可對光信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，相對于常用的頻率測量法，具有測量誤差小的優(yōu)點(diǎn)。本文提出的光信號檢測方法有利于提高便攜式光學(xué)儀器的測量準(zhǔn)確度，在便攜式光學(xué)儀器上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
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