[基于STM32等精度测频的光信号检测装置设计与验证.docVIP

摘? 要：?基于STM32采用等精度测频方法设计了一种可用于光信号检测的装置。该装置由供电模块、光转频模块、频率测量模块和数据显示模块组成，其中，被测光信号在光转频模块中通过硅光电二极管S1226-8BK转成微弱电信号，经放大和滤波处理后输入AD650转换成频率信号。频率测量模块使用ARM Cortex-M3内核STM32F103RBT6作为处理器，结合一个D触发器，对光转频模块输出的频率信号进行等精度测频，测得的数据发送到上位机显示。实验结果表明，本装置测得的频率信号均与光功率之间成很好的线性关系，与示波器测量结果亦相吻合，证明了本装置可对光信号进行准确检测。相对于常用的频率测量法，本装置具有测量误差小的优点。关键词：?STM32；等精度测频；光信号 　随着环境保护呼声的日益高涨，实时、在线、小型便携和可用于现场监测是未来环境监测仪器的主流发展方向[1-2]。近年来，越来越多的科技工作者致力于研究小型便携的专用光度计[3-6]，其中，常选用硅光电二极管、压转频芯片将光信号转为频率信号，因此，如何准确测量频率信号，关系到这些便携式仪器的准确性。常用的频率测量方法有频率测量法和周期测量法[7]两种。频率测量法是在设定时间t内计数被测信号的脉冲数N，因此被测信号F=N/t。周期测量法是先测量出被测信号的周期T，然后根据频率F=1/T算出被测信号的频率。这两种方法均会产生±1个被测脉冲的误差，在实际应用中，频率测量法适合于高频信号测量，而周期测量法适合于低频信号测量，二者不能兼顾高低频率同样精度的测量要求[8]。 1 设计与实现1.1 装置组成　本文设计的光信号检测装置如图2所示，包括供电模块、光转频模块、频率测量模块和数据显示模块。该装置中，被测光信号通过硅光电二极管S1226-8BK转成微弱电信号，经放大和滤波处理后输入AD650压频转换芯片转换成频率信号Fx。测频模块由STM32单片机及其外围电路外加一个D触发器组成，利用STM32自带的通用定时器2（TIM2）配置成脉宽调制（PWM）输出模式，产生标准方波脉冲F0，通用定时器3（TIM3）对F0进行计数，高级定时器1（TIM1）对待测脉冲Fx进行计数。采用一个D触发器做门控开关，使TIM1和TIM3同时在Fx的某一上升沿开启，第Nx个上升沿关闭，实现等精度频率测量。经运算处理后把数据发送到上位机显示。整个装置所需的+3.3 V、+5 V、±15 V几路电压均由电源模块提供。 1.2 光转频模块　通常，在对光信号进行测量时，一般利用光电探测器将光信号转换为微弱电信号，微弱电信号被放大后通过A/D转换或者压频转换成数字信号后输送至单片机进行处理。本装置采用响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低的日本滨松集团生产的硅光电二极管S1226-8BK将光信号转为微弱电流信号，经后续几个运算放大器处理成稳定的直流电压信号，最后用压转频芯片转为频率信号。光转频电路原理图如图3所示，硅光电二极管把光信号转换成微弱电流信号Id，通过AD795进行放大并转成电压信号Vout，Vout=IdR1（1+R3/R2），采用AD706双通道运算放大器，一个通道进行电压跟随以提高带负载能力；另一个通道搭接成压控电压源二阶低通滤波电路，滤除工频及其他杂波而得到直流信号，最后通过AD650进行压频转换得到频率信号Fx。 　光转频模块采用的AD795是一款低噪声、精密、FET输入运算放大器。它既具有双极性输入运算放大器的低电压噪声和低失调漂移，又具有FET输入器件的极低偏置电流。其最大输入偏置电流仅2 pA，最大失调电压为500 μV。AD706是一款双通道、低功耗、双极性运算放大器，通道1用来实现电压跟随，通道2用来做二阶压控有源滤波。AD650工作频率高，V/F变换工作频率可达1 MHz；其非线性度低，满度输出频率为100 kHz时，非线性度仅0.005%。1.3 频率测量模块　本装置基于STM32的定时器，结合一个D触发器实现等精度频率测量。STM32F103RBT6芯片具有一个高级定时器（TIM1）和3个通用定时器（TIM2~TIM4）。在本设计中，把TIM2配置成PWM输出模式产生基准脉冲F0，其频率可在0~72 MHz范围内配置，本检测装置配置成1 MHz。把TIM3配置成计数器模式，选中触发（TRGI）的上升沿作为计数器时钟，即当输入通道引脚上的F0脉冲来一个上升沿计数值加（或减）1。高级定时器TIM1的配置方法与TIM3类似，TIM1计数Fx。　定时器与D触发器连接示意图如图4所示，被测信号Fx既是TIM1输入信号又作为D触发器的时钟信号，可使闸门开和关都在Fx的上升沿，保证了TIM1计数Fx脉冲数的精准性。TIM1的进位输出通过取反后接到D触发器的输入再到定时器的