本文是一篇工程硕士论文，本文对光电检测技术的研究意义以及国内外研究现状进行了研究。根据现有产品的不足之处，通过对比三种微控制器架构的特点，提出了采用双ARM架构的多路光电信号同步采集模块。并且对于光电信号转换的跨阻放大器完成了设计与实现。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
自然界中任何事物的变化过程都伴随着能量信号的变化，这些能量信号的变化之中蕴涵着事物的规律，凭借这些改变的信息量，可以推断出客观事物的特性参数。光学信号属于其中重要的信息来源之一，它的相位、振幅和频率等物理特性都能反应信息。所以需要利用一定的检测技术将光信号中研究所需的电子学信息[1]获得，在此基础上产生了光电检测技术。根据光电效应光电检测技术可以实现对光学信号的检测[2-4]，通过光电传感器实现将光信号变换为电信号，随后利用电子电路进一步对电信号进行调理、模数转化、采集、存储、传递、显示和计算分析等操作[5,6]。
光电检测技术具有许多由其信息传播媒介光信号所带来的优点，因光具有传播距离远、速度快、损耗低且与测量物体表面不产生摩擦的特点，所以光电检测技术具备了响应迅速、寿命久、抗干扰能力强、适合于远距离遥测以及利于应用的特点[7-9]。基于以上特点，光电检测技术在众多领域都有所应用：在军事领域中可用于制造激光测距仪、光电报警系统以及协同作战武器等；在农业领域中能够预判收成和虫患等；在工业领域中常用于测量产品的尺寸信息、仪器设备运行监控、检测产品缺陷以及装配定位等；在地质勘探领域可用于进行矿物质资源探测等；在医疗领域中用于非接触红外温度计、血糖仪以及核磁共振成像技术等；在环境科学领域中用于探测大气污染、可见度测量以及毒气检测等。除上述应用领域以外，在化学分析、激光通信和家用电器中都有光电检测技术的身影[10-12]。以上所说领域中，为了分析光信号中携带的信息，通常是利用光电传感器将由被测物体主动发出的光信号，或者是由其他光源发出的用于检测被测物体的光信号，通过光电效应转换为便于控制和处理的电信号[13,14]。但是，经由传感器转换后的信号不只包含有效信号，往往其中还伴随着许多噪声信号，且幅值大小不可控制，因此直接转换后的信号还需要经过信号调理电路，将其调整到适合采集电路输入的幅值和频率范围内，再由采集、存储以及传输电路通过上位机等界面实现显示和计算的功能，最终光电检测技术[15-17]实现了借助电信号对光信号的分析处理。
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1.2国内外研究现状
所谓光电检测技术就是以光能和光波这些非电量信号为目标信号，将光信号中蕴含的事物信息，通过光电探测器转换成电流、电压和电阻等电信号，再经过放大和滤波等信号调理电路后送入数据采集与传输电路实现对目标参数的测量、显示和分析等操作，最终获取被测对象的信息特点[18,19]。光电检测技术的可检测的参数包含所有使光信号的特性发生改变的非电量参数，例如表面粗糙度、振动、位移等参数，且其在一些电磁干扰强和有安全危机的场合也可以正常的工作，具有检测速度快、传播距离远、不用接触测量等优点[20,21]。
光电导现象首次被发现是在1873年，历时了56年人类首次制造出具有使用价值的光信号接收器。可见伴随着光电效应的发展进程与人类对科学的不断探索，光电检测技术也不断得到发展。随着二十世纪七十年代大规模集成电路技术的飞速发展，光电检测技术搭载上微机技术[22]，凭借其在逻辑处理以及数学计算方面的优势，使光电检测系统功能不断丰富，展现出了更为宽阔的应用前景。光电检测技术领域国外发展较国内更加成熟，其中日本和欧美等国家表现较为突出，美国以柯达公司为代表、日本以滨松公司为代表、爱尔兰以杜尔润博集团为代表，他们开发出了应用领域广泛，具有高性能的多种光电信号检测仪器。而国内起步晚于国外，从863计划开始[23]才在国家的支持下开始研究。2006年吉林大学的王立婷针对微分光纤干涉仪设计的光电信号检测系统，对检测的光电流信号和电压信号给出了较好的关系[24]。2011年哈尔滨工程大学的韩勇提出了自适应滤波算法，通过FPGA硬件设计实现了光电检测技术与电子集成电路二者的结合[25]。2014年陕西师范大学的陈彦涛，设计了既具有自举功能又缩小带宽限制的前置放大器[26]。
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第2章整体方案
2.1光电信号跨阻放大器电路基础
2.1.1光电信号跨阻放大原理
根据输入信号与输出信号的关系可以对放大器的类型进行划分，当输入信号为电流信号输出信号为电压信号时，此时输出信号与输入信号的比值具有电阻的量纲，因此具有上述这种输入输出关系的放大器称为跨阻放大器，调节电阻的阻值跨阻放大器还可以实现增益可调的比例放大。
跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）具有频带范围宽的优点，通常应用在光电检测领域，用作光电传感器的前端放大器。如图2-1所示为跨阻放大的基本原理图，反向偏置的光敏二极管在没有光照射时，只有微安级别的暗电流，当有光照射时会产生随着光照强度增加而增加的光电流[31]。使用光敏二极管连接运算放大器的反相输入端作为跨阻放大器的信号源，光电流作为输入信号通过反馈电阻放大成电压信号输出。因此跨阻放大器与光电传感器组合使用，可以实现光信号到光电流信号再到放大的电压信号的全过程。
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2.2方案选择
2.2.1技术要求
技术要求是系统设计首先需要解决的问题，系统的技术要求分析主要包括功能要求、性能要求和技术指标三个部分。系统实现怎么样的功能叫做功能要求，在实现功能要求的情况下如何做的更好是性能要求，在功能要求和性能要求确定的基础上，进一步提出更详细的技术指标。
(1)功能要求分析
多路光电信号同步采集模块要实现的功能主要有数据采集功能、比较触发功能以及数据传输的接口功能。其中数据采集功能是针对中低频的光电流信号的采集；比较触发功能用于提供逻辑信号，以实现本模块与其他模块间协同工作；数据传输的接口功能用于实现将采集数据上传到上位机中，进行分析和计算等操作。
(2)性能要求分析
多路光电信号同步采集模块的性能需求，主要包括以下四个方面：第一小型化，测量仪器小型化设计使其移动便捷性更高，仪器易被带到现场进行实时的检测。因此在电路结构的选择以及具体电路设计时，尽可能选择更精简的电路结构，集成度高和封装小的元器件，从而实现重量减轻、体积减小。第二实时性好，光电信号采集系统中其采集的数据滞后时间越短，越能够还原出与真实信号更接近的信号。因此在电路设计中应该关注微控制器工作的时序特性，尽可能让微控制器不处在中断工作状态，保证采集的实时性。第三性价比高，一个模块设计的好坏并不仅仅取决于它的精度和价格，它的价格与性能的比例关系以及它与设计要求的契合程度都需要考虑进来。不同的测量场景对仪器指标也有不同的要求，模块的性能最适合于当下测量要求，且价格与之成正比才会受到最大程度的欢迎。执着于采用最高端和贵重的器件，往往会出现性能冗余造成浪费，使设计的性价比大打折扣。因此在设计构思时，以提高性价比增加竞争力的角度，应选择最为适合的电路结构、开发工具以及硬件资源。第四多通道相互独立，多个采集通道之间相互独立具有以下优点：通道之间的信号没有交叉不会发生互扰，使采集的精度能够得到保证；采集模块能在同一时刻下对各个通道进行同步采集；各个通道能够较好的维持ADC采样频率获得较高的采样率，从而能够更全面的检测被测对象。因此在采集模块设计时，四个通道需要采用四路相互独立的信号调理电路和4个ADC。
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第3章同步采集电路的设计与实现...............................19
3.1光电变换前端放大电路设计..........................19
3.1.1单端输入单级光电放大器............................21
3.1.2单端输入两级光电放大器.........................22
第4章光电信号采集程序设计..............................37
4.1程序设计构架.....................................37
4.1.1软件整体架构.................................37
4.1.2软件开发环境....................................38
结论............................55
第4章光电信号采集程序设计
4.1程序设计构架
4.1.1软件整体架构
本设计的多路光电信号同步采集模块的软件整体架构，如图4-1所示。
工程硕士论文参考
模块的软件整体架构主要包括：MCU主程序、数据采集程序、比较触发程序。其中MCU主程序中包括初始化和事件判断处理两部分，初始化程序实现系统、硬件和全局变量初始化。事件判断处理程序实现命令的接口来源的判断，以及命令解析的功能。数据采集程序包括通道选择、增益控制、DAC偏置设定和ADC+DMA采集功能等。比较触发包括DAC输出设置和比较器配置程序。在实现下位机数据采集功能以及上位机命令控制功能时都需要USB2.0和LAN这些通信接口，因此应该配置接口驱动程序。为了实现一个系统设计的完整性，虚拟仪器显示界面也是其中必不可少的部分。
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结论
目前光电探测器产品通常通道数少、不能程控调节，而且价格高昂，不能很好的满足科研应用需要。本文提出了一种基于双MCU架构的四通道光电信号同步采集模块，实现了较高的采集数据的实时传输速率、较小的物理尺寸和较低的硬件成本。本设计所做的创造性工作如下：
(1)设计的两级程控增益光电信号放大电路，在满足电路总增益值不改变的情况下，拓宽了信号的传输的频带宽度。
(2)将两只控制单极性的场效应管的栅极和漏极分别相连接，将两只场效应管合并为一只开关管使用，扩展了其控制极性，以很低的硬件成本实现了光电信号的双极性增益控制。
(3)采用了单片STM32G474VET6微控制器芯片，充分利用其内部ADC、DAC、COMP等硬件资源，实现了数据采集与比较触发功能。减少了模块中模数混合器件的使用数目，从而简化了硬件电路设计，降低了软件开发难度，减小了采集器的物理尺寸并降低了硬件成本。
(4)设计的双MCU的微控制器架构，利用STM32G474VET6实现数据采集，利用STM32H743IIT6的高速USB2.0以提高采集数据的实时传输速度，两片MCU之间通过8bit的QSPI以消除采集数据内部传输阻塞。
参考文献（略）