STM32'ye Dayalı Polarizasyona Bağlı Kayıp Ölçüm Sisteminin Tasarımı
Xu Hongyu, Liu Xiao
(Shenyang Havacılık ve Uzay Üniversitesi Enstitüsü, Shenyang, Liaoning 110136)
: ARM serisi ürünler STM32F407ZG için sistem tasarım teorisi, yazılım ve donanım tasarım yapısı ve uygulama yöntemleri dahil olmak üzere ST'nin CortexM4 çekirdeğini temel alan polarizasyona bağlı bir kayıp ölçüm sistemi tasarlandı. Işık, polarizasyon durumunu ayarlamak için polarizasyon kontrolörü tarafından ayarlanır, ölçülecek nesneden geçer ve ardından sonraki fotoelektrik dönüştürme modülüne gönderilir.Yükseltildikten ve filtrelendikten sonra, ışık A / D toplama modülüne ulaşır ve son olarak işlem ve ölçüm için ana kontrol ünitesi M4'e gönderilir.
: Polarizasyona bağlı kayıp; STM32F407ZG; polarizasyon kontrolörü; ölçüm sistemi
: TP913.7 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.01.010
Alıntı biçimi Xu Hongyu, Liu Xiao. STM32 J 'ye dayalı polarizasyona bağlı kayıp ölçüm sisteminin tasarımı. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (1): 32-34.
0 Önsöz
Polarizasyona Bağlı Kayıp (PDL), ışık polarize olduğunda optik pasif cihazdan geçtikten sonra optik güç değerinin değişimini ifade eder. Sinyal polarizasyonu, iletim sırasında yalnızca fiber optik ağda mevcut olmadığından, iletim kalitesi üzerinde ciddi bir etkiye sahip olan ve belirli bir optik pasif cihazın PDL'si sistemde nispeten dalgalandığında fiber optik bağlantı boyunca büyümeye devam edecektir. Büyük olduğunda, sistemin bit hata oranı artacaktır, bu nedenle polarizasyona bağlı kaybın ölçülmesi çok gerekli hale gelir.
1 Polarizasyona bağlı kaybın teorik analizi
Polarizasyona bağlı kaybın temel tanımı aşağıdaki gibidir:
PDL = 10log (Pmax / Pmin) (1)
Birim dB'dir, burada Pmax, ışığın tüm polarizasyon durumlarından geçmesinden sonraki maksimum güçtür ve Pmin, ışık tüm polarizasyon durumlarından geçtikten sonraki minimum güçtür.
Işık, enine bir dalgadır ve polarizasyona bağlı kayıp, ışık dalgalanmasından analiz edilir. Işık, kırılma indisi n1 olan bir ortamdan, kırılma indisi n2 olan bir ortama geliş açısı inc1'de geldiğinde, kırılma açısı 2'dir. Işık elektromanyetik bir dalga olduğundan, s'nin titreşim yönü olay yüzeyine paralel olan elektrik vektörü, p'nin titreşim yönü olay yüzeyine dik olan elektrik vektörü, ts ışık enerjisinin s yönündeki karmaşık genlik iletim katsayısı ve tp'nin p yönü olduğu varsayılır. Karmaşık genlik iletim katsayısı. Dalga optiği teorisinden aşağıdaki formül elde edilebilir:
Yukarıdaki formülden ts ve tp'nin eşit olmadığı ve polarizasyona bağlı kayıp oluşacağı görülebilir. PDL'nin temel tanımına göre, tek bir arayüz tarafından üretilen polarizasyona bağlı kayıp:
PDL = -20log cos (1 2) (4)
Kırılma yasasından n1sin (1) = n2sin (2), 1 ifadesi elde edilebilir ve sonra:
PDL = -20log {cos 1 arcsin (n1sin1 / n2)]} (5)
Denklemden (5), PDL'nin esas olarak ışık olay açısı ve optik arayüzün her iki tarafındaki ortamın kırılma indisi ile ilişkili olduğu görülebilir. Olay açısı ile ilişkisini daha fazla analiz etmek için denklem (5) 'den 1 sapması:
Uygulamada, 1'in değeri genellikle nispeten küçüktür. 0 ~ 80 aralığında, formül (6) 'dan, n1n2 olduğunda kırılma yasasının 12 ve tg (1 2) 0,1 olduğunu gösterdiği görülebilir. n1cos1n2cos20, 1'in birinci dereceden kısmi türevinin 0'dan büyük veya 0'a eşit olduğu sonucuna varılabilir ve 12 olduğunda aynı ilke elde edilebilir.
Yukarıdaki analizden, polarizasyona bağlı kayıp PDL'nin, bununla orantılı olan olay açısının artmasıyla artacağı görülebilir. Aynı zamanda denklem (5) den PDL'nin iki ortamın kırılma indisi farkı n ile de ilişkili olduğu bilinmektedir Fark ne kadar büyükse, polarizasyona bağlı kayıp o kadar büyük olur. Formül (5) 'den görülebileceği gibi, optik pasif cihazın kırılma indisi, olay uç yüzünün açısı ve diğer parametreler bilinerek, polarizasyona bağlı kaybının teorik sınır değeri teorik olarak tahmin edilebilir.
2 Polarizasyona bağlı kayıp ölçüm şeması
IEC: 2009 (E) 61300-3-2, polarizasyona bağlı kaybı test etmek için iki yöntem belirtir: tam durum tarama yöntemi ve mueller matris yöntemi [1-2].
2.1 Tam durum tarama yöntemi
Tam durum tarama yöntemi, aşamalı tarama yöntemi ve zamanlı tarama yöntemi olarak ikiye ayrılır. Aşamalı tarama yöntemi, Poinka küresi üzerinde ayarlanan yörünge boyunca tarama yapmak için polarizasyon kontrolörünü kontrol etmektir.İki tarama yöntemi vardır: çözgü adımlama ve atkı tarama veya atkı adımlama ve çözgü taraması. Taradıktan sonra, PDL'yi almak için maksimum ve minimum optik gücü bulun. Ancak, yüksek ölçüm doğruluğu gerektiren durumlarda test adımı küçülür, test noktalarının sayısı büyük ölçüde artar ve test süresi de artar. Zaman tarama yöntemi temelde adım tarama yöntemine benzerdir Ana fark, polarizasyon denetleyicisinin belirli bir süre içinde çeşitli polarizasyon durumlarının ışığını üretebilmesi için tarama süresinin uzunluğu için bir kontrol komutunun gönderilmesidir, ancak polarizasyon durumlarının sayısı ve sayısı bilinmemektedir. Polarizasyon yönü. Tekrarlanabilirliği, adım ve tarama yöntemi kadar iyi değildir ve zamanla daha yakından bağlantılıdır.Tarama süresi ne kadar uzunsa, doğruluk o kadar yüksek ve tekrarlanabilirlik o kadar iyi olur.
2.2 Mueller matris yöntemi
Mueller matris yöntemi, Bonga küresi ile iyi uyumunu kullanır.Bu yöntemi kullanarak, ışığın sadece 4 polarizasyon durumu, mueller matrisi ve matematikteki uç değer formülü ile birlikte test parçasının polarizasyon korelasyonunu elde etmek için kullanılır. kayıp. Formül şudur:
Bunların arasında, m11, m21, m31 ve m41, mueller matrisinin ilk sütunundaki öğelerdir.PDL'yi elde etmek için yalnızca mueller matrisinin ilk sütunundaki öğeleri elde etmeniz gerekir. Bu yöntem hızlı ölçüm sağlayabilir, ancak ışık kaynağının kararlılığından ve polarizasyon durumundan kolayca etkilenir.
Yukarıdaki test yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarına dayanarak, bu makale polarizasyon kontrolörünün kontrolünü değiştirir, tarama adımını ve tarama süresini değiştirir, böylece çıktı polarize ışık mümkün olduğunca eliptik polarizasyon durumuna düşer.Belirli bir dalga boyundaki PDL için kısaltılmıştır. Test süresi, test şemasını basit ve çalıştırmayı kolaylaştırır ve polarizasyon durumunun kararlılığına olan bağımlılık azalır Aynı zamanda, polarizasyon kontrolörünü kontrol etmenin karmaşıklığı azalır ve ölçüm hatası nispeten küçüktür.
3 Sistem Tasarım Teorisi
Polarizasyona bağlı kayıp (PDL) test sistemi [3] temel olarak ışık kaynağı, polarizasyon kontrolörü, optik güç ölçer modülü [4-5], A / D dönüştürme modülü ve MCU'dan oluşur. Şekil 1, bir sistem çerçeve diyagramıdır.
Optik güç ölçer modülü, fotodetektör, amplifikatör ve A / D dönüştürme modülünü içerir. Polarizasyon durumu, farklı durumların polarize ışığını elde etmek için polarizasyon denetleyicisini [6-7] optik fiberin basıncına değiştirerek ayarlanır.Işık, fotoelektrik dönüşüm yoluyla A / D dönüşüm modülüne gönderilir ve ölçülecek nesneden cihaz amplifiye ve filtrelenir ve son olarak DMA aracılığıyla A / D dönüşüm modülüne gönderilir MCU ekranı işler.
4 donanım devre tasarımı
4.1 Polarizasyon kontrol devresi tasarımı
Polarizasyon denetleyicisinin hassas kontrolü, tüm sistemin önemli bir parçasıdır. Tasarım, kademeli motoru kontrol etmek için STM32'yi ve polarizasyon denetleyicisini kontrol etmek için çevresel sürücü devresini kullanır.Adım motoru, hızı ve konumu birikmiş hatalar olmadan doğru bir şekilde kontrol edebilir, böylece doğru bir şekilde yapabilir İstenen polarizasyon durumunu elde edin. Devre bağlantısı Şekil 2'de gösterilmiştir.
4.2 Ön amplifikasyon devre tasarımı
Fotodedektör tarafından dönüştürülen polarize ışığın foto-akımı nispeten zayıftır ve işlenmek üzere A / D dönüştürme modülüne gönderilmeden önce yükseltilmesi gerekir. Burada preamplifikatör devre cihazı olarak nispeten düşük gürültülü ve nispeten ucuz olan CAN OP amplifikatörü LF356H kullanılır.Özellikleri aşağıdaki gibidir:
(1) Akım-voltaj dönüşüm kazancı 1 V / A'dır;
(2) Genlik frekansı özellikleri: 100 kHz'de, maksimum çıkış voltajı -3 dB dahilinde ± 10 V'tur Devre Şekil 3'te gösterilmiştir.
Ön amplifikasyon devresinden [8-9] sonra, çıkış voltajı nispeten küçüktür ve sinyal nispeten zayıftır, bu nedenle ikinci aşama amplifikasyon devresi tarafından amplifiye edilmesi gerekir. Bu tasarım, ikinci aşama amplifikasyon için programlanabilir kazanç enstrümantasyon amplifikatörü [10-11] AD8253 kullanır.G-seviyesi giriş empedansı, düşük çıkış gürültüsü ve düşük distorsiyon özelliklerine sahiptir ve yüksek örnekleme oranlı analogdan dijitale dönüştürücüler (ADC ), ADC sürücüleri için mükemmel bir seçimdir ve 1, 10, 100 ve 1.000 amplifikasyon aralığı arasında geçiş yapabilir ve aralıkları giriş sinyalinin boyutuna göre değiştirebilir.
4.3 Ana kontrol devresi ve A / D devresi
Maliyet, ana kontrol çipi performansı ve sistem düşük güç tüketimi, güvenilirlik, doğruluk vb. Göz önünde bulundurulduğunda, ana kontrol devresi ST'nin STM32F407 en küçük sistemini benimser.Devre entegrasyonunu en üst düzeye çıkarmak ve çevresel devreyi azaltmak için A / D dönüşümü Devre, STM32F407'nin kendi A / D dönüştürme çipini kullanır.
Ana kontrol çip devre şeması, Şekil 4'teki gibi gösterilmiştir.
Şekil 4, bu tasarım sisteminin ana kontrol yongasıdır, çalışma voltajı 5 V'tur ve programın çalıştığını göstermek için çevreye bazı LED'ler bağlanmıştır.
STM32F4'ün ADC'si, 12 bitlik ardışık bir yaklaşım analogdan dijitale dönüştürücüdür. 19 kanala sahiptir.Bu kanalların A / D dönüşümü tekli, sürekli, taramalı veya kesintili modda yapılabilir ve maksimum dönüşüm oranı 2.4 MHz'e ulaşabilir. Bu performans tasarım gereksinimlerini çok iyi karşılayabilir ve devre tasarımına ve sonraki yazılım programlamasına kolaylık sağlayabilir.
5 Sistem yazılım tasarımı
Şekil 5 Yazılım sistemi akış şeması Sinyal donanım devresi tarafından toplandıktan sonra, yazılım kısmının işlenmesi ve görüntülenmesi gerekmektedir Program akış şemasının yazılım kısmı Şekil 5'te gösterilmiştir. A / D ediniminden önce, sistem, giriş sinyalinin A / D tarafından elde edilebilecek aralıkta olup olmadığını belirlemelidir. Değilse, sistemin, sinyali A / D edinme sinyalinin boyutuyla eşleşmesi için AD8253 büyütmesini ayarlaması gerekir. Bu bölüm, sistem tarafından otomatik olarak tanımlanır ve değerlendirilir. . Daha sonra yukarıda verilen formüle göre optik gücü hesaplayın ve polarizasyona bağlı kaybı PDL formülüne göre hesaplayın.
Test için 1310 nm'lik DFB stabilize ışık kaynağı kullanıldı ve farklı test süreleri altındaki PDL verileri Tablo 1'de gösterildi.
Tablo 1'den bu ölçüm sisteminin PDL testini iyi tamamlayabildiği ve hatanın nispeten küçük olduğu ve ölçüm doğruluğunu karşıladığı görülmektedir.
6. Sonuç
STM32F4 tabanlı polarizasyona bağlı kayıp ölçüm sistemi, ışığın çıkış polarizasyon durumunu değiştirmek için polarizasyon kontrol cihazına bağlıdır, bu da ışık pasif cihazdan geçtikten sonra polarizasyona bağlı kaybı iyi bir şekilde ölçebilir. Ve STM32F4 hız, güç tüketimi, maliyet vb. Açısından kendi avantajlarını gösterir. Yerleşik ADC, tasarımı basitleştirir ve çok sayıda çevre birimini genişletebilir.
Referanslar
[1] IEC: 2009 (E) 61300-3-2. Fiber optik birbirine bağlanan cihazlar ve pasif bileşenler-Temel test ve ölçüm prosedürleri-Bölüm 3-2: İnceleme ve ölçümler-Tek modlu fiber optik cihazda polarizasyona bağlı kayıp S]. 2009.
[2] Wang Hengfei, Ying Chengping, Quan Zhike Optik pasif cihazların polarizasyona bağlı kaybı ölçüm metodu J Photo Photonic Technology, 2005 (3): 140144.
[3] Du Weiguo. Optik pasif cihaz test sistemi tasarımı ve test hata analizi J. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2009,23 (S1): 7884.
[4] Xu Bo. Evrensel bir optik güç ölçerin gerçekleştirme prensibi J. Elektronik Kalite, 2006 (5): 37.
[5] Wu Yuxin, Liao Ping, Ding Ruiming. CAN veriyolu J tabanlı gömülü optik güç gerçek zamanlı izleme sisteminin tasarımı. Mikrobilgisayar Bilgileri, 2012, 28 (6): 6970, 169.
[6] Hou Qingxiang. Dijital sinyal işleme D dayalı polarizasyon kontrol teknolojisi üzerine araştırma. Pekin: Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, 2015.
[7] Zhang Qiye, Zhu Yong, Su Yang, ve diğerleri Fiber sıkıştırma polarizasyon kontrolörünün "polar kör bölgesi" üzerine araştırma J. Açta Optics, 2013, 33 (5): 1520.
[8] Tosaka Toshiaki. Ölçüm elektronik devre tasarımı-simülasyon (11. baskı) [M]. Peng Jun, tercüme edildi. Pekin: Science Press, 2015.
[9] Comfort Dong, Liu Jie, Bao Dezhou, et al. Nanovolt düzeyinde zayıf sinyal amplifikatör devresinin tasarımı J. Elektronik Test, 2012 (8): 5255.
[10] Li Lele. Düşük güç tüketimi, yüksek hassasiyet ve geniş ortak mod giriş aralığı D olan enstrüman amplifikatörünün araştırılması ve tasarımı. Şangay: Fudan Üniversitesi, 2013.
[11] Cui Liping. Enstrümantasyon yükseltici devre tasarımı J. Modern Elektronik Teknolojisi, 2009, 32 (11): 8789.
