智能化光功率检测装置的研究

其原理如图所示图光频率电路原理图本文中的光电转换器件是利用处于反偏的光敏二极管的电流源特性将功率转变为频率。

光敏二极管是种利用结单向导电性的结型光电转换器件。

为了改善其线性特性和频率特性，工作时般加反偏电压，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻大小无关。

由于光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，响应速度快，并且光照线性好，因此本装置设计中选用其作为光电转换器件。

由于充电的结果，定时器导通，电容放电至较低的触发电平，旦达到该电平，定时器就截止，新的充放电过程重新开始。

光频转换电路输出波形如图所示图输出波形其频率为式中充电时间两个阈值电压之间的电压差光功率二极管的光电流灵敏度，是波长的函数因为可用定时器脚来调整，故光电转换器件采用分压器校正光功率测量基本原理由上面介绍的光功率检测装置的工作原理，我们了解到，对光功率检测可以通过式转化为对输出频率的测量。

所以光功率检测系统的核心部分是频率测量，下面就频率测量的基本原理作详细说明。

采用不同的测量原理，可以设计出不同结构的频率测量电路。

所以按测量原理来区分可分为谐振式比较式和计数式三种类型。

传统中比较常用的是计数式的测频方法，下面分析它的原理。

计数式测频电路的基本原理和误差分析计数式测频电路的基本原理是将频率实行转换，然后对数字量脉冲的个数进行数字计数，最后把计数结果以单位时间内脉冲的个数用数字显示器直接显示出来。

测量原理频率是指单位时间内震动的次数。

从测量的角度看，即在定的闸门时间内，测得被测信号的脉冲数。

其测量频率的方框图如图所示。

图直接计数式测频电路的原理图被测信号送入输入通道，经放大整形后，使每个周期形成个脉冲，这些脉冲加到主门的输入端闸门时间产生电路输出的门控信号，加到主门的输入端。

在主门开启时间内，脉冲信号通过主门，进入计数器。

如果主门开启时间为秒，计数器累计的数字为，则被测的频率为主门启闭时间又称闸门时间。

显然对被测频率而言，选用的闸门时间愈长，所测得数字也愈大。

频率测量的误差分析由式可知测频电路的原理是严格按公式进行的。

所以由和两个变量而决定频率。

根据误差理论中的误差合成公式可测得的相对误差当且时，排在闸门信号两端的两个被测脉冲信号，可能同时进入主门，则计得的数值为但这两个脉冲也可能同时被排挤在主门外，这样记得的数值为。

可见，最大的计数误差为又因，所以式中的第项可写成式中为闸门时间。

为被测频率。

从式可知，计数式测频电路不管计得的数字多大，它的最大误差总是个计数单位，即误差。

且当被测频率定时，其值与闸门时间成反比。

等精度频率测量原理及误差分析等精度测频的实现方法可以简单地用图和波形图来说明。

图中预置门控信号可由单片机发出，它是宽度为的个脉冲。

和是两个可控的位计数器，是两个计数器的计数允许信号端，高电平有效。

标准频率信号从的时钟输入端输入，其频率为经整形后的被测信号从的时钟输入端输入，设其实际频率为，测量频率为。

如图图等精度测频法原理框图图频率测量时序波形图测频开始前，首先发出个清信号，使两个计数器和触发器置，然后由单片机发出允许测频命令，即令预置门控信号为高电平，这时触发器要直等到被测信号的上升沿通过时端才被置。

当预置门控信号为高电平时，经整形后的被测信号的上升沿通过触发器的端同时启动计数器和。

分别对被测信号频率为和标准频率信号频率为同时计数。

当预置门控信号为低电平时，随后而至的被测信号的上升沿将使这两个计数器同时关闭。

设在次预置门时间中对被测信号计数值为，对标准频率信号的计数值为，则下式成立由此可推得适配器适配器的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，产生最终的下载文件。

编程下载的工程设计流程基于工具的开发流程如图图应用于的开发流程设计输入首先利用工具的文本或图形编辑器将设计意图用文本或图形的方式表达出来。

完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下步的综合作准备。

综合综合是将软件设计与硬件可实现性挂钩，综合后综合器生成网表文件，利用产生的网表文件进行功能仿真，功能仿真仅对设计描述的逻辑功能进行测试模拟，不涉及具体的硬件特性。

适配综合通过后必须用布局布线适配器将综合后的网表文件针对具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置逻辑分割逻辑优化布局布线。

时序与功能仿真仿真就是让计算机根据定的算法和定的仿真库对设计进行模拟，以验证设计，排除。

仿真可分为两个级别时序仿真接近真实器件运行特性的方针，已包含硬件特性参数，仿真精度高。

功能仿真直接对原理图或其它描述形式的逻辑功能进行测试模拟，不涉及具体的硬件特性。

编译下载编程下载是指将程序放到具体的可编程器件中去。

硬件测试将含有载入了设计的的硬件系统进行统的测试，以便在更真实的环境下检验设计的运行情况。

Ⅱ软件简述Ⅱ开发工具是公司推出的种工具，灵活高效使用便捷。

Ⅱ开发系统具有以下特点多平台开放的界面模块组合式工具软件与结构无关支持硬件描述语言丰富的设计库。

Ⅱ软件采用模块化的结构，如图所示图Ⅱ软件组成设计输入主要包括文本设计输入，原理图输入，波形设计输入等。

项目管理对项目进行编译。

项目校验主要包括仿真和定时分析器件编译将编译生成的编程文件编程或配置到中使用Ⅱ进行可编程逻辑器件的开发主要包括个阶段设计输入编译处理验证和器件编程，其设计流程如图所示图Ⅱ的设计流程技术在本设计中的应用由于具有高速性高可靠性等优点，本设计中的测频部分用的硬件描述语言和原理图设计来完成。

应用原理图的方法进行设计，可以把整个系统分成若干个模块分别进行，然后按照它们相应的输入和输出引脚连接起来，形成完整的系统。

本系统在中的设计分成以下几个模块控制模块，计数模块，锁存器模块。

控制模块如图所示，在用原理图设计方法实现测频系统时，可以像调用普通元件样调用这个模块，只需要把相应的引脚连接上，就可以实现它的功能。

图控制模块用语言编程生成的测频控制模块，程序清单如下其内部电路连接如图，当触发器的输入端为高电平时，若端来个上沿，则端变为高电平，导通和，同时被置为高电平作为状态标志在触发器的输入端为低电平时，当端输入个脉冲上沿，与的信号通道被切断。

图测频控制部分电路计数模块设计采用的是两个相同的计数器，每个计数器是由两个位二进制同步计数器组成的位计数器，模块如图所示图计数模块内部电路连接如图图计数电路原理图两个计数器的输出结果通过选选择器来选通输出哪个计数器的值。

并且这两个位计数器的进位端口同单片机的和引脚相连形成两个位的主计数器。

在最后的计数值从的引脚输出之前为了防止数据的丢失，加个缓冲器，这样，当内部两个位计数器工作时，的数据输出端的数据不会因为计数器计数值的变化而改变，就不会出现数据的现象。

模块如图图锁存器模块把以上介绍的各个模块按照它们相应的引脚连接起来，就形成了完整的等精度测频系统。

等精度频率计的总体电路原理框图见附录，在Ⅱ软件中设计等精度频率计除了用原理图的方法外，还可以直接用语言编程实现。

用硬件描述语言设计的等精度频率计的程序清单见附录。

单片机技术在系统中的运用单片机技术概述单片机就是在块硅片上集成了微处理器，存储器和各种输出输入接口定时器计数器并行口串行口转换器及脉冲调制器等，这样块芯片具有台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

自世纪年代问世以来，单片机以其极高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。

单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

单片机技术的应用单片机以其卓越的性能，得到了广泛地运用，已深入到各个领域。

尤其是美国公司生产的系列单片机，由于其具有高集成度，处理能力强，可靠性好，系统结构简单，价格低廉，易于使用等优点，已经在智能仪器仪表，工业检测控制，电力电子，机电体化等方面取得了令人瞩目的成绩。

单片机的片内结构如图所示图单片机的片内结构按功能划分，由如下功能部件组成，即微处理器数据存储器程序存储器，并行串行口，定时器计数器，中断系统及特殊功能寄存器。

它们通过片内单总线连接而成，其基本结构依然是加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

单片机技术概述年公司挪威设计中心推出了全新配置的位精简指令集微处理器，命名为。

是种指令内核的统称，它内部又分为，和三大系列，分别对应的低中高档产品。

系列中常用的有，和等产品系列中常用的有，和等。

的引脚兼容而的引脚兼容单片机，因此在设计中很容易替代单片机。

，是系列的主流产品。

其中单片机以丰富的片内资源低廉的价格而得到广泛应用。

单片机更适合采用高级语言开发，目前开发工具主要有。

考虑到应用环境及性价比等诸多因素，本设计中选用系列单片机作为开发元件。

接口电路设计单片机与接口逻辑设计复杂可编程逻辑电路是种具有丰富的可编程引脚的可编程逻辑器件，具有系统可编程使用方便灵活的特点不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。

把同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程使用方便灵活的优点。

在功能上，单片机与大规模有很强的互补性。

单片机具有性能价格比高功能灵活易于人机对话良好的数据处理能力等特点则具有高速高可靠性以及开发便捷规范等优点。

在本论文的测频系统中，单片机的任务是通过信号线控制进行等精度测频，并从中读取标准频率计数器和被测信号计数器的计数值，以及测量结果的处理和与上位机进行通信。

下面是单片机和的硬件连接，如图口被用于施加各种控制信号，其中作为整个计数系统的复位信号线，和的端口相连作为预置闸门时间的控制线，和的端口相连作为查询实际闸门时间的状态线，和的端口相连作为选选择器的控制端口，和的端口相连。

本测频系统用到的计数器由两部分组成，除了内部设计的两摘要在光电技术突飞猛进发展的今天，光功率检测技术也在不断进步。

随着宽带通信技术的快速发展，通信网络中大量使用光纤作为传输介质，因此光功率检测也就越来越多地被应用于科研生产的各个部门。

传统的检测方法耗时长效率低，检测的准确性也极易受人为操作的影响。

本文叙述了种基于的智能化光功率检测系统的总体构成。

由于采用了技术，使系统结构成本大为简化。

文中详细叙述了系统硬件设计仿真与具体实验结果。

在光功率检测系统的研究中，由于采用了现代检测手段，使测量精度大大提高。

而且由于采用了自动控制，使控制过程中剔除了人为因素的干扰，控制准确，提高了劳动生产率。

关键词光功率检测等精度测频智能控制目录第章绪论引言论文研究意义论文研究的目的与内容第二章智能化光功率检测系统智能化光功率检测装置的工作原理光功率测量基本原理第三章智能化光功率检测装置的硬件设计系统总体方案设计技术在电路设计中的运用单片机技术在系统中的运用接口电路设计第四章智能化光功率检测装置的软件设计串行通讯软件设计单片机处理程序基于虚拟仪器的软件设计第五章系统可靠性设