摘 要： 基于STM32采用等精度測(cè)頻方法設(shè)計(jì)了一種可用于光信號(hào)檢測(cè)的裝置,。該裝置由供電模塊,、光轉(zhuǎn)頻模塊、頻率測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊組成,，其中,，被測(cè)光信號(hào)在光轉(zhuǎn)頻模塊中通過(guò)硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào)，經(jīng)放大和濾波處理后輸入AD650轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),。頻率測(cè)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(duì)光轉(zhuǎn)頻模塊輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行等精度測(cè)頻,，測(cè)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(cè)得的頻率信號(hào)均與光功率之間成很好的線性關(guān)系,，與示波器測(cè)量結(jié)果亦相吻合,，證明了本裝置可對(duì)光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。相對(duì)于常用的頻率測(cè)量法,，本裝置具有測(cè)量誤差小的優(yōu)點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： STM32；等精度測(cè)頻,；光信號(hào)
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(chǎng)監(jiān)測(cè)是未來(lái)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的主流發(fā)展方向[1-2],。近年來(lái)，越來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)為頻率信號(hào)，因此,，如何準(zhǔn)確測(cè)量頻率信號(hào),，關(guān)系到這些便攜式儀器的準(zhǔn)確性。常用的頻率測(cè)量方法有頻率測(cè)量法和周期測(cè)量法[7]兩種,。頻率測(cè)量法是在設(shè)定時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)N,，因此被測(cè)信號(hào)F=N/t。周期測(cè)量法是先測(cè)量出被測(cè)信號(hào)的周期T,，然后根據(jù)頻率F=1/T算出被測(cè)信號(hào)的頻率,。這兩種方法均會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)被測(cè)脈沖的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中,，頻率測(cè)量法適合于高頻信號(hào)測(cè)量,，而周期測(cè)量法適合于低頻信號(hào)測(cè)量，二者不能兼顧高低頻率同樣精度的測(cè)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(hào)檢測(cè)裝置如圖2所示,，包括供電模塊、光轉(zhuǎn)頻模塊,、頻率測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊,。該裝置中，被測(cè)光信號(hào)通過(guò)硅光電二極管S1226-8BK轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào),，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(hào)Fx,。測(cè)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(duì)F0進(jìn)行計(jì)數(shù)，高級(jí)定時(shí)器1（TIM1）對(duì)待測(cè)脈沖Fx進(jìn)行計(jì)數(shù),。采用一個(gè)D觸發(fā)器做門控開(kāi)關(guān),，使TIM1和TIM3同時(shí)在Fx的某一上升沿開(kāi)啟，第Nx個(gè)上升沿關(guān)閉,，實(shí)現(xiàn)等精度頻率測(cè)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般利用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào),，微弱電信號(hào)被放大后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換或者壓頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)為微弱電流信號(hào)，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(hào),，最后用壓轉(zhuǎn)頻芯片轉(zhuǎn)為頻率信號(hào),。光轉(zhuǎn)頻電路原理圖如圖3所示，硅光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電流信號(hào)Id,，通過(guò)AD795進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)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(hào),，最后通過(guò)AD650進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換得到頻率信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)電壓跟隨,，通道2用來(lái)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(cè)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(cè)量。STM32F103RBT6芯片具有一個(gè)高級(jí)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(cè)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(lái)一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)值加（或減）1,。高級(jí)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(cè)信號(hào)Fx既是TIM1輸入信號(hào)又作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào),，可使閘門開(kāi)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(guò)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(kāi)啟又能同時(shí)關(guān)閉。整個(gè)過(guò)程可以這樣來(lái)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(kāi)，TIM1和TIM3開(kāi)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(cè)頻率值Fx。
本裝置的測(cè)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(cè)頻結(jié)果對(duì)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(cè)信號(hào)Fx,，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本裝置分別對(duì)Fx進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。圖7表明,，本裝置測(cè)量值與示波器測(cè)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(shuō)明本裝置對(duì)頻率信號(hào)測(cè)得值與示波器測(cè)得值相吻合?？梢?jiàn),，采用本裝置測(cè)量1 kHz~26 MHz范圍的頻率信號(hào)是準(zhǔn)確的。
2.2 本裝置對(duì)光信號(hào)的測(cè)量
為了考察本裝置對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性,，本研究選用中心波長(zhǎng)分別為630 nm,、520 nm和390 nm的LED光源提供不同波長(zhǎng)的測(cè)量光信號(hào)，通過(guò)滑動(dòng)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(hào)強(qiáng)度,。本研究采用光功率值大小表征光信號(hào)強(qiáng)度,，LED輸出光功率利用OPT-1A功率指示計(jì)測(cè)量。采用本裝置和示波器測(cè)定不同光功率下的光輸出信號(hào),，結(jié)果如表1所示,。表1表明，對(duì)所測(cè)量的3種波長(zhǎng)光信號(hào),，示波器和本裝置對(duì)光信號(hào)的測(cè)得值均與光信號(hào)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(shuō)明本裝置用于實(shí)際光信號(hào)的測(cè)量,，測(cè)得的頻率信號(hào)可線性地反映光強(qiáng)度大小,，且測(cè)得值與示波器測(cè)得值無(wú)顯著差異。
本文基于STM32等精度測(cè)頻原理設(shè)計(jì)了一種光信號(hào)檢測(cè)裝置并進(jìn)行了驗(yàn)證,。該裝置對(duì)1 kHz~26 MHz范圍內(nèi)的不同頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,，與示波器測(cè)得值完全吻合。本裝置對(duì)中心波長(zhǎng)為630 nm,、520 nm和390 nm 的LED光源發(fā)出的光信號(hào)為測(cè)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(duì)光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，相對(duì)于常用的頻率測(cè)量法,，具有測(cè)量誤差小的優(yōu)點(diǎn),。本文提出的光信號(hào)檢測(cè)方法有利于提高便攜式光學(xué)儀器的測(cè)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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