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使能端，使TIM1和TIM3既能同时开启又能同时关闭。整个过程可以这样来表述：最初，TIM1计数前，进位输出Cout为0，取反变为1后传给D触发器的输入端，D触发器输出1使能两个定时器，把闸门打开，TIM1和TIM3开始计数，待TIM1计满或计到设定值时便产生进位输出1（或标志位置1），取反后变为0输给D触发器，此时，D触发器输出0使能两个定时器，闸门关闭，TIM1和TIM3结束计数。读取此时的两计数器寄存器中的计数值，按Fx=（Nx×F0）/N0进行运算便可得出待测频率值Fx。
本装置的测频软件流程如图5所示。
1.4 数据显示模块
为了方便，在本装置中用串口向上位机发送数据并直接用串口调试助手在上位机串口打印。在实际例子或产品中可改为液晶屏或其他方式显示。
1.5 电源模块
本装置中使用的AD795、AD706以及AD650的供电电源为±15 V。本装置利用MAX743芯片将笔记本的USB口+5 V转化成±15 V电压供电。原理图如图6所示。STM32芯片所需的+3.3 V电压，利用一片AMS1117-3.3将USB口+5 V转化为3.3 V供电。
2 实验验证
2.1 本装置与示波器测频结果对比
利用STM32单片机上的定时器在1 kHz~26 MHz范围内产生33个不同频率的脉冲作为待测信号Fx，用Tektronix TDS1012B-SC示波器和本装置分别对Fx进行测量，结果如图7所示。图7表明，本装置测量值与示波器测量值呈现出很好的线性关系，线性回归方程的相关系数R值为1，斜率为0.998 9，说明本装置对频率信号测得值与示波器测得值相吻合。可见，采用本装置测量1 kHz~26 MHz范围的频率信号是准确的。
2.2 本装置对光信号的测量
为了考察本装置对光信号测量的准确性，本研究选用中心波长分别为630 nm、520 nm和390 nm的LED光源提供不同波长的测量光信号，通过滑动串联的变阻器改变接入电路中的阻值改变LED输出光信号强度。本研究采用光功率值大小表征光信号强度，LED输出光功率利用OPT-1A功率指示计测量。采用本装置和示波器测定不同光功率下的光输出信号，结果如表1所示。表1表明，对所测量的3种波长光信号，示波器和本装置对光信号的测得值均与光信号呈现出很好的线性关系，且两者的斜率比非常接近1.0，说明本装置用于实际光信号的测量，测得的频率信号可线性地反映光强度大小，且测得值与示波器测得值无显著差异。
本文基于STM32等精度测频原理设计了一种光信号检测装置并进行了验证。该装置对1 kHz~26 MHz范围内的不同频率信号进行测量，与示波器测得值完全吻合。本装置对中心波长为630 nm、520 nm和390 nm 的LED光源发出的光信号为测量的结果与光功率（强度）成很好的线性关系（相关系数R>0.99）。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，具有测量误差小的优点。本文提出的光信号检测方法有利于提高便携式光学仪器的测量准确度，在便携式光学仪器上具有潜在的应用价值。
参考文献
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