基于PIN激光光强检测技术的研究

1、PAGE .PAGE .摘 要激光检测系统具有一定的科研和市场价值，它除了可以检测激光强度外，还可以应用到各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制、激光接收等方面。本文首先介绍了光电管的类型，着重介绍了PIN光电二极管和雪崩光电二极管；接着对电路图进行了设计，详细介绍了SEED-DEC2812控制板原理及开发环境CCS ；最后详述了ADC转换过程，UART接口。PIN光电二极管由于其良好的精度和性能被越来越多地应用到光强检测系统中，本章系统地介绍了二极管如何将光能转化成电能，及它的结构和基本性能。使我们对二极管的原理有了充分的了解。并且通过DSP、串口、上位机把模拟量转化

2、成数字量，便于对光强进行控制。次套装置操作简单，为光强检测技术提供很大的参考关键词：PIN光电二极管 TMS320F2812 ADC UART接口ABSTRACTLaster detection system has some value in study and market. In addition it can detect the laser intensity, but also can be applied to all kinds of automatic control equipment, trigger, optocoupler, encoder, recognition

3、of Characteristics, process control, such as laser-receiver. This paper first introduced the type of photodiode, focused on the PIN photodiode and APD.Then the circuit was designed, details on the control panel SEED-DEC2812 principle and development environment CCS. The final details of the ADC conv

4、ersion process, UART interface.PIN photodiode because of its good performance and accuracy were applied to more and more light detection system, the system introduced in this chapter how diode light into electricity, and its basic structure and performance. So that we have the principle of diode ful

5、l understanding. And through the DSP, serial, PC to analog into digital, easy-light control. The sets of devices is simple, light-detection technology to provide great reference.Keywords: PIN Photodiode ；TMS320F2812 ；ADC ；UART interface目 录摘 要ABSTRACT TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc201747349 第一章 绪 论

6、 PAGEREF _Toc201747349 h 1 HYPERLINK l _Toc201747350 1.1研究背景 PAGEREF _Toc201747350 h 1 HYPERLINK l _Toc201747351 1.2 光电转换器件的研究进展 PAGEREF _Toc201747351 h 1 HYPERLINK l _Toc201747352 1.3论文研究目的、意义和内容 PAGEREF _Toc201747352 h 2 HYPERLINK l _Toc201747353 第二章 实验器件性能介绍 PAGEREF _Toc201747353 h 5 HYPERLINK l

7、_Toc201747354 2.1光电二极管 PAGEREF _Toc201747354 h 5 HYPERLINK l _Toc201747355 2.2 SEED-DEC2812开发板原理 PAGEREF _Toc201747355 h 10 HYPERLINK l _Toc201747356 2.3 CCS概述以及配置 PAGEREF _Toc201747356 h 13 HYPERLINK l _Toc201747357 第三章 光强检测电路设计 PAGEREF _Toc201747357 h 15 HYPERLINK l _Toc201747358 3.1实验原理框图 PAGEREF

8、 _Toc201747358 h 15 HYPERLINK l _Toc201747359 3.2具体电路设计 PAGEREF _Toc201747359 h 15 HYPERLINK l _Toc201747360 3.3器件的选择及计算 PAGEREF _Toc201747360 h 17 HYPERLINK l _Toc201747361 第四章 数据采集原理及系统软件 PAGEREF _Toc201747361 h 22 HYPERLINK l _Toc201747362 4.1数据采集原理 PAGEREF _Toc201747362 h 22 HYPERLINK l _Toc2017

9、47363 4.2 TMS320F2812ADC模块介绍 PAGEREF _Toc201747363 h 24 HYPERLINK l _Toc201747364 4.3数据采集的2812实现 PAGEREF _Toc201747364 h 25 HYPERLINK l _Toc201747365 4.4串行通讯部分 PAGEREF _Toc201747365 h 26 HYPERLINK l _Toc201747366 第五章 上位机程序设计与实现 PAGEREF _Toc201747366 h 32 HYPERLINK l _Toc201747367 总 结 PAGEREF _Toc201

10、747367 h 36 HYPERLINK l _Toc201747368 参 考 文 献 PAGEREF _Toc201747368 h 37 HYPERLINK l _Toc201747369 致 谢 PAGEREF _Toc201747369 h 38第一章 绪 论1.1研究背景激光通信是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，和传统的电通信一样激光通信可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。有线激光通信就是近二、二十年来迅猛发展起来的以光导纤维作为传输媒质的光纤通信，目前己成为高速有线信息传输的骨干，具有了相当的规模，正在逐步取代传统的电缆通信。无线激光通信也称自由空间激光

11、通信，直接利用激光在大气或外太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送。在自由空间激光通信中，大气湍流对激光传输的影响很大。激光束通过有湍流的大气传输时，其强度、相位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机变化，通信质量较差。采用自适应光学技术进行持续监测可以有效消除监测目标失真，从而提高自由空间光通信的质量在对激光光强进行检测时，可应用多种光电探测器。例如：光电池、光电倍增管、光敏电阻、PIN管、雪崩二极管等。通过比较，PIN二极管由于灵敏度高、线性度好、信噪比大、转换速度快，受温度的影响小而为本次实验所应用。PIN光电二极管是一种PN结型半导体元件，当光照射到PN结上

12、时，半导体内电子受到激发，产生电子空穴对,在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。在机电一体化时代，它成为必不可少的元件。1.2 光电转换器件的研究进展光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。光电倍增器是把微弱的输入转换为电子，并使电子获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射的光电子数目相应变化，由于各倍增极的倍增因子基本上保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化，此即光电倍增管的简单工作过

13、程。由此可见，光电倍增管的性能主要由光阴极、倍增极及极间电压决定。光电阴极受强光照射后，由于发射电子的速率很高，光电阴极内部来不及重新补充电子，因此使光电倍增管的灵敏度下降。如果入射光强度太高，导致器件内电流太大，以至于电阴极和倍增极因发射二分解，就会造成光电倍增管的永久性破坏。因此，使用光电倍增管时，应避免强光直接入射。光电倍增管一般用来测弱光信号。光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用，如卫星上使用的太阳能电池。它也可作为光电子探测器件。光电二极管有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管两种。半导体PN结区附近成为耗尽层，该层的两侧是相对高的空间电荷区，而耗尽层内通常情况下并不存在

14、电子和空穴。只有当光照射PN结时才能使耗尽层内产生载流子（电子空穴对），载流子被结内电场加速形成光电流。利用该原理制成的光电二极管称为耗尽层光电二极管。耗尽层光电二极管有pin层、PN层、金属半导体型、异质型等雪崩光电二极管是利用二极管在高的反向偏压下发生雪崩效应而制成的光电器件。雪崩光电二极管的倍增效应与外加电压有关。雪崩光电二极管具有倍的电流增益，因此，它的灵敏度很高，并且响应速度快，常用于超高频的调制光和超短光脉冲的探测。CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，通过输入面上光电信号逐点的转换、储存和传输，在其输出端产生一时序信号。随着科技的进步，CCD技术日臻

15、完善，已广泛用于安全防范、电视、工业、通信、远程教育、可视网络电话等领域。1.3论文研究目的、意义和内容激光检测技术被越来越广泛地应用到各种领域。例如：激光制导炸弹中激光导引头。激光制导炸弹投射时，它是利用载机上的激光照射器，先向目标照射激光束，经目标反射后，由装在炸弹头部的激光导引头接收，再经光电变换形成电信号，输入炸弹控制舱，控制炸弹舵面偏转，导引炸弹飞向目标。本设计来源于基于液晶的光强稳定技术。图1.1为基于液晶的跟踪相机调光控制实验原理框图，激光器产生激光，经过起偏器，形成偏振光，再经过932液晶光控系统，再由相机进行光强检测，检测出光强的相对变化量，将检测结果传送到计算机，由计算机驱

16、动电源，产生矩形脉冲，从而控制932液晶光控系统的透光率，从而实现对光功率的闭环控制。而激光光强的探测，是基于液晶光调制器的光强稳定技术的关键。 图1.1基于液晶的跟踪相机调光控制实验原理框图本课题来自863项目中的子项目，其目的是对大气中激光光强进行检测，为自适应光学控制技术提供参考。在图1.2中用PIN光电二极管代替相机进行光强检测，这样一来，降低了成本，节省了空间，应用起来更方便、灵活。将PIN检测到的光强值送到CPU中进行A/D转换，由DSP控制932液晶光控系统，进而控制透光率。DSP将转换后的结果送到上位机上进行显示、处理。图1.2基于PIN光电管的自适应闭环光强控制系统本文利用P

17、IN光电管对光强进行检测，为基于液晶的空间光调制技术提供依据，拟将液晶作为一种动态可调的光强控制器置于通信光信道之中，利用其高精度、快速的光束衰减控制能力，对入射的信标激光能量进行自适应控制，使光探测器接收到的激光能量保持稳定，对大气湍流引起的光强起伏进行实时控制，从而提高系统通信质量，降低误码率，以实现高信噪比的激光信号探测，从而使整个大气通信系统实现高效可靠的信息传输。本论文主要分为4个章节：第一章为绪论，主要阐述了激光检测技术的应用，光电转换器件的研究进展及本论文所研究的目的和意义。第二章为实验器件性能的介绍。着重介绍了PIN光电二极管和数字信号处理器TMS320F2812。第三章为光强

18、检测电路的设计，详细介绍了所选用器件的性能；系统的整个设计过程；各部分电路具体实现的功能。这章为本文的重点。第四章为数据采集原理，TMS320F2812ADC模块介绍，数据采集的2812实现，UART接口及如何进行串行通讯。第五章为上位机程序的设计及如何实现上位机与光强检测系统的通讯。第二章 实验器件性能介绍2.1光电二极管2.1.1 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地有效地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管的结构如下：图2.1 光电二极管的结构光电二极管的结构与PN结二

19、极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。图2.2(a)是光电二极管的代表符号，图2.2(b)是它的等效电路，而图2.2(c)则是它的特性曲线。光电二极管的主要特点是，它的反向电流与照度成正比，其灵敏度的典型值为0.1mA/lx数量级。 图2.2 光电二极管等效电路及特性2.1.2光电二极管光电转换原理光电二极管（通常称为 Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。普通二极管在反向电压作用在处于

20、截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。下图所示，为光电二极管的伏安特性曲线。图2.3 二极管的伏安特性曲线2.1.在普通的P-N结光电二极管中，其响应时间主要由光生载流子的扩散时间决定，在P+型结构的光电二极管中，P+层很薄，N层很厚，从而导致光生载流子在N层中扩散时间很长，决定了其响应时间较长。为

21、了克服光生载流子扩散时间长的缺点，在P-N结光电二极管的P+层和N层中，加入一层近似于本征型的高阻I型层，即低浓度的N型层。其制作方法是在高阻N型硅片的两面抛光后，在两面分别进行N+和P+杂质扩散，并制作欧姆接触，就得到PIN光电二极管。光子从P+区进入后，耗尽区内激发出光生电子一空穴载流子对，被反偏电压所形成的耗尽区电场分离，并以很高的速度分别向P区和N区运动，这样就在偏置电路中形成电流。这种光电二极管在耗尽区中被吸收的光子具有较高的量子效率。PIN型光电二极管的响应速度主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间决定，响应时间小于秒。当PIN管加上一个反向偏压后，其耗尽区在整个I层上展开，即扩展了耗

22、尽区，而光生载流子扩散区域则被压缩。其原理如图2.4所示。图2.4 PIN光电二极管工作原理2.1.3.1硅PIN光电二极管的响应特性PIN光电二极管具有一定的光谱响应范围。相同功率的各单色辐射入射到探测器上所产生的信号电压与辐射波长的关系，叫做探测器的光谱响应。光子探测器和热探测器的光谱响应特性不大一样，对于光子探测器只有入射光子能量大于某一极小值h探测器才有输出。光子能量的大小与光的波长有关，光的波长越长，它的光子所具有的能量也越小。对于不同波长的光来说，只有能量大于半导体材料的禁带宽度的光子才能激发出光生载流子。因此，硅PIN光电二极管对光的响应存在长波限，其值可由下式确定: （2.1）

23、常温下，Si材料的禁带宽度Eg为1.08eV，利用上式可计算出Si光电二极管的长波限约为1.15。对于入射光而言，入射光越短，光子能量越大，但是，对硅PIN光电二极管而言，入射光的波长越短，材料表面对光波的吸收也就越大，结果使大量的入射光子在材料表面被吸收，难以进入到材料深层。系统中的PIN管采用硅材料制做，其不同厚度对不同波长的光具有不同的吸收系数。光吸收系数为为： （2.2）式中a为光吸收系数，为微扰算符的矩阵元，。为入射光角频率，为简约普朗克常数。若考虑表面P+层内光生少数载流子作扩散运动，则在x到x+dx、单位面积、单位时间内到达势垒区的光生少子数可近似表示为: （2.3）硅PIN光电

24、二极管在受光照射时，光生载流子从产生到复合需要经过一定的时间才能达到平衡，载流子浓度才能达到稳定值，当光照停止时，光生载流子的消失也需要一定时间，这就是硅PIN光电二极管的响应时间或弛豫时间，它反映了硅PIN光电二极管的惰性。以一个矩形的辐射脉冲照射到探测器上，探测器输出信号上升到最大值的63%所需的时间，或者下降到最大值的37%所需的时间定义为探测器的响应时间，也称为弛豫时间。硅PIN光电二极管载流子漂移速度不仅与耗尽层宽度有关，还与反偏电压有关，反偏电压高则载流子的漂移速度快。 2.1.3.2硅PIN光电二极管的频率响应取决于其响应时间，的表达式为: （2.4）式中为耗尽区中光生载流子的收

25、集时间(即漂移时间)，为由结电容与负载电阻决定的RC时间常数，为光生载流子的扩散时间。由此可见，:主要包括三个来源。通常约1ns，与其它两个时间相比，常可忽略,是主要的，它表征通过PIN光电二极管的串联电阻及外负载电阻向结电容充放电所需时间。包括了接触电阻，表面薄层电阻及非耗尽区的体电阻，因器件的面积及材料的电阻率不同，硅PIN光电二极管的值可由几个至数千。由于耗尽区厚度随反向偏压而增加，故反偏压增大可使减少，此外，也随偏压的增大而减少。增大反偏压可降低时间常数，提高频率特性。2.1.3.3在PIN光电接收器进行光电转换的过程中，会产生各种噪声，噪声主要可分为两大类，第一种为系统外噪声，第二种

26、为系统内噪声。当信号的频率较高时，噪声对系统的影响更为重要。PIN管光电接收器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流和器件的热噪声。2.1.3.4PIN光电二极管的温度特性随着工作电流的增大，结温度将上升，晶格振动加剧，晶格振动对载流子运动的散射作用也会加大，从而使电离率下降，增益减小。PIN光电二极管的许多特性随温度而变，在设计电路时必须加以考虑，否则环境温度变化较大时电路不能正常工作，因为半导体的禁带宽度随温度的升高而减小，而热激发载流子却随温度的上升而增加。在高低温条件下，PIN管的许多特性将发生变化，如量子效率、光谱灵敏度、噪声特性等，这直接导致输出信号的波形和幅值发生变化。为

27、此，需要在后续电路中进行相应补偿措施，使PIN管的工作温度范围为-4055。2.1.3.5PIN管等效电路模型PIN光电二极管的工作特性可以用一个二端网络来等效，它可视为一个二极管(包括暗电流Id,结电阻Rd、结电容)及一个恒流源的并联。其中暗电流对光信号无贡献，通常作为噪声源处理。图2.5PIN光电二极管等效电路图2.1.4雪崩光电二极管(APD)是一种响应度非常高的器件，当电场足够强时，耗尽区中的光生载流子高速漂移，从晶格中碰撞出“二次电子”，二次电子与一次电子又加速碰撞出更多的电子，如此往复，导致载流子雪崩式的猛增，电路中电流相应的增加，这种内部增益过程称为雪崩倍增效应，它使输出信噪比增

28、大，灵敏度比PIN光电二极管进一步提高。倍增增益表示为: （2.5）式中M为倍增增益，为一次光电流，为倍增输出电流的平均值。M值依赖于载流子电离系数、雪崩区宽度及反向偏压等因素。电子电离系数与空穴电离系数不同，二者比值k是影响APD性能的重要参量，k值小的材料制得的APD可获得低的噪声、高的增益带宽积。SiAPD耗尽层达30-50，要产生雪崩效应，偏压高达500V。为降低偏压，研制出了RAPD(拉通型APD)，它使雪崩效应仅发生在很薄的区域内。P+和N+为高掺杂低阻区，I为本征区，PN结附近为倍增高场区，随偏压增高，耗尽区从P区扩大直至“拉通”整个I区，I区电场比PN+结区电场低，但也能保证载

29、流子有很高的漂移速度。入射光子在I区吸收后形成电子空穴对，一次电子向PN+区漂移，并在PN+区内产生倍增。可见只有一次电子参加初始碰撞电离，因此总k值很小，倍增噪声非常低。其工作电压约20OV。SiRAPD具有低倍增噪声、高量子效率、高响应速度等优点。另一类是用InGaAs/InP制造的分别吸收和倍增的APD(SAM一APD)。它是一种异质结结构，吸收区和高场区分别由InGaAs和宽带隙材料InP(截止波长0.96)构成，Inp对由P区入射的光信号透明，这种结构使得纯空穴注入高场区，减少了光在无场区的吸收，能获得较低过剩噪声、较高的增益、响应速度和响应度。2.2 SEED-DEC2812开发板

30、原理2.2.1概述本设计中采用SEED-DEC2812开发板作为系统的数据采集部分，其中主要集成了DSP、SRAM、A/D、PWM、UART、CAN、USB、D/A和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设。这样可以利用开发板中的12位A/D，拥有足够的精度和较快的转换速率，还可以充分利用DSP的巨大的数据处理和吞吐能力，可以对采集的数据进行处理，为下一步的光功率闭环控制留出充裕的条件。2.2.2功能框图 图2.6 SEED-DEC2812功能框图2.2.3 TMS320F2812处理器DEC2812所用DSP芯片为TMS320F2812。TMS320F28lx系列DSP是Tl公司最新推出的数字

31、信号处理器，该系列处理器是基于TMs320CZxx内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制域应用的实现提供了良好的平台。同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。与F24x系列数字信号处理器相比，F2812系列数字信号处理器提高了运算的精度(32位)和系统的处理能力(达到15OMIPS)。该数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导ROM，数学运算表以及ZKB的OTPROM，从而大大改善了应用的灵活性。128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供

32、了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。TMS320F2812DSP采用高性能的静态CMOS技术；支持JTAG边界扫描接口；高性能16位CPU；大容量的片上存储器；可配制的引导(BOOT)ROM；增强的外部存储器扩展接口；完善的时钟和系统控制；具有外设中断扩展模块(PIE)支持多达45个外设中断；三个32位CPU定时器；电机控制外设，两个与F240 x兼容的事件管理器；具有多个串口通信外设(SCI,SPI,MCBSP)；片上集成了12位模数转换模块；F2812片上有高达56个可配置通用目的I/O引脚。2.2.3.1 CC28lx内核主

33、要包括中央处理单元(CPU)、测试单元和存储器及外设的接口单元三个部分，如图2.7所示。CPU单元完成数据/程序存储器的访问地址的产生、译码和执行指令、算数、逻辑和移位操作、控制CPU寄存器以及数据/程序存储器之间的数据传输等操作。测试逻辑单元主要用来监测、控制DSP的各个部分及其运行状态，以方便调试。而接口信号单元完全是存储器、外设、时钟CPU以及调试单元之间的信号传输通道。图2.7 CPU内核结构框图算术逻辑单元(ALU):32位ALU完成2的补码的算术运算和布尔运算。乘法器:完成32位的2的补码的乘法运算，产生64位的乘法结果。乘法器能够完成两个符号数、两个无符号数或一个符号数和一个无符

34、号数的乘法运算。移位器:完成数据的左移或右移操作，最大可以移16位。寻址运算单元(ARAU):主要完成数据存储器的寻址运算以及地址的产生。独立的寄存器空间:CPU内的寄存器包含独立的寄存器，并不映射到数据存储空间。寄存器主要包括系统控制寄存器、算术寄存器和数据指针。带保护流水线:带保护的流水线能够防止同时对一个地址空间的数据进行读/写。2.2.3.2 TMS320F2812的复位与中断系统1）TMS320F2812的复位在TMS320F2812有四个复位源：上电复位、手动复位、看门狗电路与电源监测。任何一个复位有效，将导致整个系统复位。F2812片上的看门狗电路为一个8位加计数器，当其加计数到

35、最大值，并溢出翻转时，将产生复位脉冲或中断请求输出。加计数器的输入时钟可由WDCR寄存器选择，从而使看门狗电路作用周期在一定范围內可编程设定；另外，通过对WDKEY寄存器顺序写入0 x55+0 xAA，使加计数器清为0，所以只要在溢出周期內周期性地对WDKEY寄存器写入0 x55+0 xAA，可使看门狗电路不发生溢出；另外，通过WDCR还可以禁止看门狗电路工作。2）TMS320F2812的中断F2812有3个外部中断引脚：XINT1、XINT2和XNMI_INT13，每个中断可以设置为上升沿或下降沿触发，也可以被使能或禁止。2.2.3.3 FF2812数字信号处理器采用增强的哈佛总线结构，能够

36、并行访问程序和数据存储空间。内部集成了大量的SRAM、ROM以及Flash等存储器，并且采用统一寻址方式(程序、数据和UO统一寻址)，从而提高了存储空间的利用率，方便程序的开发。除此之外，F2812数字信号处理器还提供外部并行总线扩展接口，有利于开发大规模复杂系统。下面主要介绍F2812存储器寻址空间、外部存储器以及外设扩展接口及其应用。TMS320F2812存储器包括片上存储器和外部存储器接口两个部分。TMS32OF2812所有存储空间采用统一寻址:低64KB地址存储器相当于F24x用240 x处理器的数据存储空间，高64KB地址的存储器相当于F24x/P240 x处理器的程序存储空间，与F

37、240 x兼容的代码只能定位在高64KB地址的存储空间运行。TMS320F2812为哈佛结构的DSP，在逻辑上有4Mxl6位的程序空间和4Mxl6位的数据空间，但在物理上己将程序空间和数据空间统一成一个4Mxl6位的空间。TMS320F2812片上有128Kxl6位的FLASH，18Kxl6位的SRAM，4Kxl6位的BOOTROM，1Kx16位的OTPROM。存储空间配置如表3.1。表2-1 存储空间配置地址范围数据空间程序空间备注0 x0020000 x005FFF16K16位外扩控制状态寄存器16K16位外扩控制状态寄存器占Zone0和Zone10 x08000000 x0FFFFF51

38、2K16位外扩FLASH512K16位外扩FLASH的占Zone2（基本配置256K）0 x1000000 x17FFFF512K16位外扩SRAM512K16位外扩SRAM占Zone6(基本配置64K)0 x3FC0000 x3FFFFF16K16位外扩SRAM16K16位外扩SRAM占Zone7,当MP/MC=1,占SRAM的高16K2.2.3.4 FTMS320F2812的外部存储器接口包括:19位地址线，16位数据线，3个片选控制线及读写控制线。这3个片选线映射到5个存储区域，ZoneO，Zonel，ZoneZ，Zone6Zone7。其中，Zoneo和Zonel共用一个片选线XCSOA

39、NDI，Zone6和Zone7共用一个片选线XCS6AND7。这5个存储区域可分别设置不同的等待周期。2.3 CCS概述以及配置2.3.1 CCS概述CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的用于开发其DSP芯片的集成开发环境，采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能于一体，极大地方便了DSP程序的设计与开发。图2.8为CCS功能框图。图2.8CCS功能2.3.2代码生成工具代码生成工具莫定了CCS所提供的开发环境的基础。如果源程序为C/C+语言，需调用DSP的C编译器将其编译成汇编语言后，送DSP的汇编器进行汇编。对于用汇编语

40、言编写的程序则直接送给汇编器进行汇编，汇后产生COFF(公共目标文件格式)格式的目标文件，再用链接器进行链接，生成在DSP上可执行的COFF格式的目标代码，并利用调试工具对可执行的目标代码在基于PC的TMS320系统仿真器(XDS)上进行调试，以保证应用软件的正确无误。图2.9为CCS的工程调试界面。图2.9 CCS工程调试界面第三章 光强检测电路设计3.1实验原理框图在本系统中硬件系统主要包括探头部分和数据采集部分，其中探头部分的作用是将被测得光信号的强弱转换为相应的电压信号，数据采集部分将探头部分所送的电压信号进行A/D转换，并将转化结果送上位机进行显示和处理，从而能够完成对激光的光强进行

41、检测。图3.1为本次实验原理框图。包括：传感器、处理电路、数据采样、保持，A/D转换，及CPU存储、显示。 图3.1实验原理图3.2具体电路设计此实验采用三级运放，如图3.2所示，第一级用于电流-电压转换，将PIN中输出的电流全部转换成电压；第二级用于电压放大，放大倍数为10，由R3/R2求得；第三级为射随器，不放大电压值，但可以大大提高带载能力。图3.3为实际搭建的电路图。图3.2探头部分硬件电路图图3.3实际电路3.2.1前置放大电路设计在光强检测系统中,激光器所产生的激光经过光电转换及放大电路转换成具有对应幅度的脉冲电压信号,其后续的处理精度多半依赖于检测放大器输出的电信号的精度,因此,

42、这种前置放大器电路的设计是本研究项目中的重要内容。检测电路中,主要由光电探测器件来完成光-电流的转换,本研究项目中使用的光电探测器件为PIN OSD5-ST ,PIN型光电探测器件在低偏压下漏电流很小,PIN 器件的输出电流较小,为A 级,由光检测前置放大电路将PIN 器件输出的微弱电流信号进行放大,同时,通过前置运放电路变换成电压信号,基本电原理图如图3.1第一级运放所示 。在图3.1中,PIN 器件相当于电流源,设理想运算放大器的输入阻抗为无穷大,根据运算放大器电路分析规则,则可计算运算放大器的等效输入阻抗为 Rin= （3.1）Rid （3.2）式中R1为反馈电阻, Rid是运算放大器的

43、开环输入阻抗;Auo为运算放大器的开环增益,对FET 运算放大器输入的情形, Rid可视为无穷大; Auo是开环放大倍数,一般Auo数值极大, 将这些值代入上式可知，Rin的数值很小，接近于0， 进一步可计算运算放大器输出电压为： V0IpR1 (3.3)式中Ip为光生电流。图3.2中,PIN 光电管接收激光信号并将其转变成电流信号Ip， Ip=RP (3.4)P为PIN 二极管表面接收的光能, R 为PIN 二极管的响应度，R1将电流信号转换成输出电压V0 , 由此完成光-电流-电压的变换。3.2.2 二级放大电路设计从光电检测前置放大电路输出的信号比较稳定,信噪比也较高,但脉冲幅度较小所以

44、, 仍需要进行二级放大。在二级放大电路中,放大倍数基本定在10 倍,实验证明:放大倍数在10 倍时信噪比最高,放大电路各级之间采用直接耦合。在放大电路中,采用OP07作输入级,具有较高的带宽、阶跃时间极短、输入偏置电流低、失调电流及电压低等优点,十分适合于传感器电路的低噪声应用。3.2.3 三级放大电路设计此处接一个电压跟随器，并不对前一级电压进行放大，电压值保持不变，但大大提高了运放的带载能力。3.2.4为了实现较高的信噪比和灵敏度,在放大器电路中选用OP07 作为放大器,电路中均选择经过筛选的金属膜电阻器,根据多级放大器噪声分析理论,其噪声系数为：F=F1+ (3.5)式中Fi 为第i 级

45、噪声系数, Kpi为第i 级增益。可见提高第一级的增益可以有效地抑制噪声。因此,设计前置放大器增益定为100 ,第二级定为10 ,第三级定为1。在放大电路的各个部分还存在器件的固有噪声,供电电源处理不当也会引入较大的噪声。因此,电路设计时必须考虑到从各方面抑制噪声的问题。3.3器件的选择及计算dBm意即分贝毫瓦，是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg功率值/1mW。例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：10lg (1mW/1mW) = 0dBm；对于40W的功率,则10lg(40W/1mW)=46dBm。本论文中要求输入光强范围为：-10dBm20dBm,反推功

46、率，-10dBm=10lg(?mW/1mW),算得?mW=0.1mW。同样20dBm=10lg(*mW/1mW),算得*mW=100mW,即转化成功率范围：0.1mW100mW, 由表31可知，OSD5-ST型PIN光电管的波长范围较宽：400-1050nm，暗电流较小（2nA），温度范围很大（-25+75），信噪比很大，灵敏度高，故次试验选用OSD5-ST型PIN光电管。其响应率为（0.21A/W）,转换成电流为21A21mA，即PIN管输出电流范围是：21A21mA。图3.4为OSD5-ST 图3.4（a）OSD5-ST外观图 图3.4（b） OSD5-ST机械尺寸表3-1 OSD5-ST

47、的参数指标 类 型可见光波 长 范 围4001050nm 封 装TO5 相 应 度0.21A/W 暗 电 流2nA 温 度 范 围-25+75 有效噪声功率3.3*10/WHz分 流 电 阻100M等 效 电 容130pF有 效 面 积5mmA/D转换器的电压范围是：03V，实验证明:放大倍数在10 倍时信噪比最高，故第二级运放的放大倍数为10，则应把21mA(最大电流)转换为0.3V电压。由此得第一级运放中电阻值约为14。由表3-2可知，噪声电流为30pA,远小于最小信号电流21uA，故OP07可用。表3-2 OP07电器特性参数符号条件OP07单位输入噪声电压Enp-p0.1Hz to 1

48、0HzMIN TYP MAX 035 0.6Uvp-p输入噪声电压密度enF0=10Hz F0=100Hz F0=1000Hz10.3 18.0 10.0 13.0 9.6 11.0nV/输入噪声电流Inp-p0.1Hz to 10Hz 14 30PAp-p输入噪声电流密度InF0=10Hz F0=100Hz F0=1000Hz 0.32 0.80 0.14 0.23 0.12 0.17PA/输入电压范围IVR13 14V第二级运算放大器的放大倍数为10，把0.3V放大为3V，由表3-2可知，噪声电压在100Hz的情况下为13nV/，TMS320F2812 的A/D转换器是12位的，2的12次

49、幂为4096，故TMS320F2812 的A/D分辨率为3V/4096,约为0.8mV。噪声电压远小于A/D分辨率可用。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP控制器,1是目前控制领域最先进的处理器之一.a其频率高达150MHz,1大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力.aTMS320F2812芯片基于CC+高效32位TMS320C28xcDSP内核,1并提供浮点数学函数库,1从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。363cTMS320F2812DSP集成了128KB的闪存,2可用于开发及对现场软件进行升级时的简单再编程.a优化过的事件管理器包括脉冲宽度调

50、制(PWM)产生器.c可编程通用计时器,2以及捕捉译码器接口等,c该器件还包括12位模数转换器(ADC),2吞吐量每秒可达16.17MB的采样,2其双采样装置可实现控制环路的同步采样.a片上标准通信端口可为主机.c测试设备.c显示器及其他组件提供简便的通信端口. 可对数据进行预处理，为以后在板上进行光功率控制提供了条件。下面列举了一些TMS320F2812的部分功能模块的引脚图。图3.5TMS320F2812管脚图图3.5为TMS320F2812的系统引脚。A00-A18为19位地址总线，D00-D15为16位地址总线，以及控制总线和地线、电源、中断、读写、时钟等引脚。图3.6 A/D转换模块

51、引脚图3.6为TMS320F2812的A/D转换模块，拥有16个模拟输入通道：A通道输入和B通道输入各8个，本实验只采用通道ADCINB0,ADC设置部分包括：ADC电压参考输出(2V):ADCREFP;ADC电压参考输出（1V）：ADCREFM;ADC外部电流旁路电阻：ADCRESEXT;测试管脚：ADCBGREFIN;ADC模拟地：AVSSREFBG;ADC模拟电源：AVDDREFBG;ADC公共地：ADGLO。ADC电源部分包括：ADC模拟地：VSSA1、VSSA2;ADC模拟电源：VDDA1、VDDA2;ADC数字地：VSS1;ADC数字电源:VDD1。图3.7MAX3160功能引脚本

52、实验电平转换电路采用采用MAX3160多协议收发器，其功能引脚如图所示。使得异步串口接口电平可配置为RS232/RS422/RS485多种接口电平标准。本论文采用RS232接口标准，采用4线制（RXD、TXD、RTS、CTS）,RTS和CTS由UART控制/状态寄存器实现。MAX3160上的引脚RS485/用于选择工作在RS422/RS485还是RS232接口标准；引脚FAST用于控制信号转换率。以上就是本次实验硬件电路的设计部分。这部分电路在技术参数的要求下可以很好的实现光强的检测，实用性很强，操作起来也很方便。每一部分器件的选择，都经过了严格的推敲、计算，搭建的电路经过测试也达到了设计要求

53、，为后续处理电路提供了有效的数据来源。第四章 数据采集原理及系统软件4.1数据采集原理4.1.1数据采集系统主要构成 数据采集及处理系统的主要功能是把外界模拟信号的电压参量经过A/D转换器，转换成数字量，并把转换的结果送上位机，以便显示、存储、分析处理。图4.1示出一个典型的数据采集系统框图。来自外部世界传感器的输入模拟信号经过信号调理信号经过信号调理电路。模拟多路开关（MUX），测量放大器（IA），采样保持放大器（SHA），进入模拟数字转换器（ADC）转化为计算机可以接受的数字信号。计算机输出的数字信号通过数据缓冲，静如DAC转换为模拟信号，再经输出信号条例电路送往外部世界的接收器。现代数据

54、采集系统的构成，可以采用多种方式。最初的办法是采用分立元件或单件器件来搭成所需要的数据采集系统。但实际上最方便的途径是采用芯片上包含的多路选择器（MUX），采样保持器（SHA），模数转换器（ADC）以及计算机缓冲接口在内的单片数据采集系统，在本设计中采用的F2812芯片即集成了上述功能。(1)多路选择器（MUX）数据采集系统往往要对多路模拟量进行采集，在不要求告诉采样的场合，一般采用公用的A/D转换器，分时对各路模拟量进行A/D转换，目的是简化电路，降低成本。可以用模拟多路开关轮流切换各路模拟量。 A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时

55、转换的目的。一般模拟多路开关有个模拟输入端，N个通道选择器，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性转换。在F2812上有16个多路选择入口，即最多可以对16路信号进行分时复用转换。(2)采样保持器(SHA)A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望AD转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大

56、提高了数据采集系统的采样频率。F2812上拥有2个采样保持器(SHA)。(3)模数转换器(ADC)因为计算机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是AD转换器。AD转换器是采样通道的核心，因此A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。F2812尽管有多个输入通道和两个排序器，但只有一个模数转换器。4.1.2 A/D转换技术现在的软件无线电、数字图像采集都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度，一般的测控系统也希望在精度上有所突破，人类数字化的浪潮推动了A/D转换器不断变革，而A/D转换器是人类实现数字化的先锋。A/D转换器发展了30多年，经

57、历了多次的技术革新，从并行、逐次逼近型、积分型ADC，到近年来新发展起来的-型和流水线型ADC，它们各有其优缺点，能满足不同的应用场合的使用。逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。-型ADC主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。F2812中的ADC转换模块是一个12位分辨率，具有流水线结构

58、的模数转换器。流水线结构ADC，又称为子区式ADC，它是一种高效和强大的模数转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸;经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型ADC由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区(流水线)来完成。首级电路采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位分辨率粗A/D转换器对输入进行量化，接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器(MDAC)产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电

59、路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后转交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细A/D转换器对残余信号进行转换。将上述各级粗、细A/D的输出组合起来即构成高精度的n位输出。优点:有良好的线性和低失调;可以同时对多个采样进行处理，有较高的信号处速度，典型的为Tconv19)SM=Sci_VarRx1/采样方式N=Sci_VarRx2*10+VarRx3;/采样循环数for(k=0;k8; /高8SciaRegs.SCITXBUF=sent_array0;while(SciaRegs.SCICTL2.bit.TXRDY=0)/等待发送完毕；

60、SciaRegs.SCITXBF=sen _array 1;while (SciaRegs.SCICTL2.bit.TXRDY=0); 4.4.4 系统总体软件流程图系统上电后，首先对如锁相环（PLL），事件管理器（EV），中断向量表（PIE）进行初始化，之后对通用异步串口（SCI）和ADC模块进行初始化，之后系统进入循环，等待中断发生，当未收到上位机的控制命令时，ADC按照程序中设置的默认参数进行自动连续转换；当收到上位机命令时，系统进入串口接受中断服务程序。在串口中断服务程序中会接受上位机发出的参数，并且会更新ADC模块中的参数设置并按照命令启动A/D转换。当A/D转换完成后会触发A/D中