基于stm32的微弱光电信号检测系统的设计与实现

一种基于jiC/OS-II的微弱光电信号检测系统。系统以高性能、低功耗的STM32F103为主控制器,设有电 源模块、微弱光检测模块、信号处理模块、通信模块和人机对话模块,经过硬件设计和编程调试之后,实现

了利用光电倍增管检测微弱光电信号的功能。实验结果表明:设计的系统拓宽了光电信号的检测范围，能

有效地降低噪声,提高微弱光电信号检测的信噪比。关键词：微弱信号;光电检测;信号处理;STM32 ； jiC/OS-II中图分类号：TP36&2；TP212 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2020)06-0107-03Design and implementation of weak photoelectric

signal detection system based on STM32WU Yongzhong, MEI Xinxing(School of Computer Science and Information Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, China)Abstract: Aiming at the problem that weak photoelectric signal is difficult to be detected by photomultiplier tube (PMT) ,taking CR131 as the research object,a weak photoelectric signal detection system based on(1C/OS-II is designed. The system uses high・performance, low-power consumption STM32F103 as the main controller, with power module, weak photoelectric signal detection module, signal processing module, communication module and

human-computer interaction module・ After hardware design and programming, the system implements the function

of detecting weak photoelectric signals by using PMT・ The experimental results show that the designed system

broadens the detection range of photoelectric signal, and it can effectively reduce the noise and improve the signal-

lo・noise ratio of weak photoelectric signal detection・Keywords: weak signal ； photoelectric detection ； signal processing ； STM32 p,C/OS-II0引言1系统总体设计方案光电检测一般是指利用电子技术对光信号进行检

1.1 总体方案测31。光电检测技术在精密测量，食品质量检测，医疗设

微弱光电信号检测系统的整体框架如图1所示。该系

备卫生检测等领域应用广泛。光电检测技术以光电检测电

统以STM32为控制核心，利用光电倍增管将微弱光信号转 路为核心，光电检测电路一般采用光电探测器对光信号进

换成电流信号，微弱电流信号经过1/ V放大器后输出电压

行光电转换，然后通过后续信号处理电路来达到对光信号

信号，经过A/D采样后显示检测结果。系统上电后，在没 进行检测的目的[3'4]o有光信号输入的情况下，按下补偿键，自动补偿系统的噪声

在微弱光电信号检测电路中，被检测的光信号比较微

和光电倍增管的暗电流，补偿结束后即可进行微弱光信号

弱,容易被外界噪声所覆盖⑸；在进行光电转换的过程中，

的测量。会受到检测电路本身噪声的影响，导致信号的输出信噪比

微弱光信号\\和灵敏度降低⑹；此外，由于微弱光信号的波动范围较大,

V光电检测系统的检测范围不便于控制⑺O因此,本文优化了传统光电检测系统的电路设计，采用

光电倍增管进行光电转换,增加了噪声补偿功能，扩大了信

号检测范围，最后对检测电路进行系统测试。图1检测系统总体设计框图收稿日期：2019-04-05Kj：\\2020-5-28\\［天才】\\已传一传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200M8 15：00：09 Time： 20200528 15：30：01108传感器与微系统第39卷1.2 PMT简介及选型信号。低通滤波器的截止频率设置为1 kHz,从而确定C1

光电倍增管(photomultiplier tube, PMT)是将微弱光信 的值为33 nF,信号滤波电路如图3(b)所示。号转换成电信号的光电转换器件。PMT有两种基本工作模

式:单光子计数模式和电流感应模式⑻，其输出电流范围一

般在:10 nA -300 jxA,增益一般为105 ~ 107倍，适用于微弱 光电信号检测系统。PMT的选型主要关注的参数：1)光阴极的光谱响应范 围,根据实际情况中所需范围选择即可;2)阴极光照灵敏度,

一般来讲灵敏度越高越好;3)暗电流，同等情况下选择暗电

图3放大电路与滤波电路设计流较小的PMT；4)典型增益，在满足实际情况的条件下选择 2.3 A/D转换电路增益较大的PMT,增益大小可以通过控制电压调节。A/D转换电路采用ADI公司的AD7190芯片,AD7190

综上所述,本文选择滨松光子的CR131型光电倍增管

适用于高精度测量应用的超低噪声模拟前端，内置24位型

作为光电转换器件。CR131的光谱响应范围为185 ~

模数转换器(ADC)、缓冲器、可编程增益阵列(PGA)和片内

900 nm,具有较低的暗电流和较高的阴极光照灵敏度，可调

数字滤波，主要用于测量宽动态范围信号。增益高达8X106倍，能够稳定地运行。将放大电路的两路输岀Vgu和V。辺分别输入到24位模

2硬件设计数转换器AD7190的两个A/D转换通道中。利用A/D转

2. 1 电源电路换芯片对两级放大的输出信号分别采样，根据信号幅度取

微弱光电信号检测系统采用USB-5V电源为检测系统 舍信号。任意模拟输入电压AIN的输出码可以表示为供电,而信号放大电路需要±5 V电源供电。因此,本文选

V0lJT =(2A xAIN x Gajn)/VREF,用电压反相器TPS6040x来解决该问题。USB-5 V电源直接 %ef=(REF+) -(REF_) (1)接到TPS6040x的输入端,经过反向稳压后输岀一5V电压。

式中 AIN为模拟输入电压，仇加由可编程增益阵列

此外,STM32主控芯片及其外围电路、A/D转换电路需要

(PGA)设置(1至128),REF+为正基准输入,REF 一为负基

3.3V参考电压，本文利用高精度、低功耗的REF3033解决

准输入,N=24。AD7190与主控制器之间采用SPI通信。

该问题。电源供电电路如图2所示。2.4噪声补偿电路本文采用高精度DA转换器AD5689作为补偿元件。

AD5689为双通道、16位、串行输入、电压输岀DAC,芯片内

部自带基准电压源(2.5 V,2ppm/r电压源)，采用2. 7 ~

5.5V电源供电。主控制器输出的数据通过三线式串行接口

(SCLK、SYNC、SDIN)以24位字格式写入AD5689。器件内置 (a) ±5V电源输出电路

(b) 3.3V参考电压输出电路图2电源供电电路一个上电复位电路，确保DAC输出上电至已知的输出状态。

2.2放大滤波电路AD5689也有软件掉电模式,可以将典型功耗降至4jjlA。本文使用ADA4530静电计放大器作为一级放大器, 零输入时，主控制器发送的补偿量(数字量)通过SPI

MAX293用作滤波器,AD8628用作二级放大器。ADA4530

传输到AD5689。AD5689将其转换为补偿电压Comp(模拟

具有极低的输入偏置电流和失调电压，同时集成了一个保 量)，Comp被加到信号放大电路输入端。护环缓冲器，用于隔离输入引脚，以防受到印刷电路板

2.5通信模块(PCB)漏电流的影响。AD4530采用±5 V双电源供电，输

在检测系统中，主控制器STM32和调试接口之间使用

入电压范围(IVR)为一5 ~ +3.5V,这样才能处理PMT输

RS-232进行通信。STM32采用标准的TTL电平:大于2.4 V 出信号为负电流信号的情况。信号放大电路如图3(a)所

表示1,小于0.8 V表示0 ； RS-232电平标准为:负电平小于

示。考虑到失调电压的问题，图3(a)中AD4530的反相端

-3 V表示1,正电平大于+3 V表示0。因此，需要使用电

未接匹配电阻。平转换芯片实现TTL电平与RS-232电平的互相转换⑼⑼， MAX293是外接元件少、参数匹配简单的低通开关电

本文采用SP3232EEN实现电平转换。容滤波器，由+ 5V单电源供电,V—接地，电阻分压网络将

3软件设计及工作流程GND设置在半电源点。MAX293的CLK引脚外接一个漏

3. 1 总体设计电小,无极性的高质量电容,即可使用片内振荡器产生时钟 在Keil MDK中新建工程，利用C语言进行编程，实现

Kj：\\2020-5-28\\［天才】\\已传一传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200M8 15：00：09 Time： 20200528 15：30：02第6期吴永忠，等:基于STM32的微弱光电信号检测系统的设计与实现109的主要功能有数据采集、计算、补偿和显示。为了充分利用

系统的硬件资源,便于对程序进行管理，采用I1C/OS-I嵌入

式实时操作系统来管理整个软件系统。在软件设计过程

中,对整个软件体系结构进行层次划分［⑴，如图4(a)所示,

将整个软件系统划分为驱动层、操作系统层和应用层。在软件系统运行的过程中，首先对系统进行初始化，即

初始化所有数据结构，并分配相应的堆栈空间;然后设置任 务间通信所需的消息邮箱和信号量;最后创建多任务，所有

图6零输入时串口打印结果任务处于就绪状态。系统运行的软件流程如图4(b)所示。图中可以看出信号输岀平稳；图7(b)是用示波器截取的输 |开始|出信号的交流分量，即电路的噪声。将图7(a)和(b)进行

*，可知电路输出的直流分量,即有效信号为3.3V；而电 I操作系统初始化对比I*建立信号消息邮箱和信号量路输岀的交流分量，即电路输出噪声在2 mV以内，可见噪

II*声补偿电路的设计具有显著效果，能有效地提高电路的信

应用层

应用程序SI建立孕任务I*—I—♦噪比。统一

串口

操作系统层jjlC/OS-H竺讯信号采集 噪声务处理任务补偿触摸屏

住务 任务通信

任务驱动层设备驱动'---------一 '--------*-------'-------'I启动多任务II结束I(a)系统软件分层结构(b)软件流程图图4软件总体设计(b)电路输出交流分量3.2信号采集处理任务图7实测输出电压由触摸屏任务激活，控制AD7190采样模拟信号。数据

5结束语采样完成后,执行数据转换,转换得到的数据(数字量)将通

经过调试之后，微弱光电信号检测系统能准确地检测

过全局变量值传输到触摸屏任务进行显示。信号采集处理

到微弱光信号，拓宽了光信号检测范围，提高了检测结果的

任务流程图如图5(a)所示。信噪比。系统采用具有丰富GPI0接口的STM32作为主控 3.3 噪声补偿任务制器，利用fiC/OS-II管理整个软件系统，有利于扩展系统

由触摸屏任务激活后，检测信号采集处理任务的输出

功能。该系统可应用于荧光检测仪，粉尘浓度测量仪，烟雾

值。如果信号采集处理任务的输岀不在设定的范围之内，

浓度检测仪等仪器中，应用前景广泛。则调用AD5689进行补偿;反之，则退岀噪声补偿任务。噪

参考文献：声补偿任务流程图如图5(b)所示。［1］ 卢莉萍，李翰山•微弱光电信号的检测与采集［J］.西安工业

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杨永杰，张裕胜，杨赛程，等.一种PM2. 5检测传感器设 图5信息采集与噪声补偿任务流程图4系统测试与结果分析计［J］.传感器与微系统,2014,33(3):76 -78.利用搭建好的硬件和软件平台，在微弱光条件下，对电 ［7］

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［8］

叶莉华，汪海洋,王文轩，等•基于光电倍增管的低噪声前置 出信号的串口打印结果，由此可见整个检测电路的背景噪 放大器的设计及其信号处理［J］.电子器件,2013,36(3)：

声很小。340 -343.图7(a)是用示波器随机截取的输出信号直流分量，从(下转第112页)KJ八2020-5-28\\【天才】\\已传-传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200528 15：00：09 Time： 20200528 15：30：09112传感器与微系统第39卷大器的3 dB带宽为41.7MHz,大于10倍的振荡器带宽,因此, 4结论不会对振荡器的相频特性产生影响，运算放大器的相位裕度 本文设计了一种改进型的电流控制振荡器电路，在电

为65°,有较好的稳定性。在lt,ff,ss工艺角下,振荡器的输出

源电压范围小、金属氧化物半导体(MOS)管阈值电压大的

频率与控制电压具有较好的线性度。在tt工艺角下,当控制

设计条件下，通过改进电路结构，增大了控制电压的变化范

电压范围在200 -700 mV时，输出频率范围为600-1600 MHz。围,降低了振荡器的增益，并保持了振荡器的高线性度。基 (。)、

s

80.0 -于28nm CMOS工艺，运用Spectre仿真，当电源电压等于 60.0 -40.0 -10.00 --30.0 -900 mV时，后仿真结果表明:当振荡器的控制电压变化范围 -10.0 --100.0-为200 -700 mV时，输出频率的范围为600-1600 MHz，振荡 CQP200.0 -100.0 -CQP

100.0 -、

、

?-100.0 -器的非线性度约为3% ,相位裕度在60。左右,较好地完成了

糊0.0 - 輕-100.0 - -200.0 --300.0 -在宽输出频率范围内保持振荡器高线性度的设计目标。

102104 106108 1O10频率/Hz频率/Hz参考文献：(a)振荡器的波特图(b)运算放大器的波特图[1] 谭晓旳，周贤中,刘晓为-CMOS环形振荡器相位噪声仿真分

■ frcq(ss,tcmpcraturc=125 3C)

1.25 析[J].传感器与微系统,2008,27(9) ：24 -26.0.252 00

■ freq(ff,temperature=! 25 T)[2] 袁涛，王华，方健，等•一种CMOS电流控制振荡器的分析与

0.25设计[J] •微电子学,2005(6) ：662 -664.2.0■ freq(tt,temperature=25 弋)[3] ZHAO J H,WANG C Y. CMOS current-controlled oscillators[C1.002007 IEEE International Symposium on Circuits and Systems,

100.0 300.0 500.0 700.0控制电压/mVISCAS 2007,2007.(c)振荡器的PVT输出频率图[4] LEE Jae Shin,JIN Woo Kiang,CHOI Dong Myung,et al. A wide

图5仿真波形range PLL for 64X speed CD-ROM & 10X speed DVD-ROM [C]#

将本文设计的振荡器增益曲线与理想的振荡器增益曲 2000 Int * 1 Conf on Consumer Electronics(ICCE) ,2000.线进行拟合,拟合结果如图6所示，浅灰表示本文设计的振

[5] 刘心彤，李振荣,庄奕琪.基于CMOS环型振荡器0 ~100 MHz

荡器的增益，深灰色曲线表示理想的振荡器增益曲线，根据 高线性低功耗时钟发生器[J].微电子学与计算机,2018,

线性度的定义:非线性度=频率偏移/调频范围X100%,

35(3) ：52-57,63.计算得出振荡器的非线性度约为3 %，具有较好的线性度。[6] 张凯贺.一种高线性度低抖动压控振荡器设计[D]•沈阳：辽

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5O O

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0250

350

450

550

6502018,87:4-5.控制电压/mV[8] 管峰,聂泽东，王磊•一种应用在人体传感器网络的低功耗

图6振荡器线性度拟合曲线VCO[ J].传感器与微系统,2012,31 (12) ：91 -93.本文的振荡器与其他文献的参数比较如表1所示。可以 [9]

闫琳静，杨健.一种CMOS电流饥饿型环形压控振荡器口].

看出，本文设计的振荡器输出频率范围更宽，且线性度更好。微型机与应用,2011,30(5) ：21 -23,26.表1本设计和其他设计比较[10] 徐慧敏，戴庆元，罗超.一种新型电流控制CMOS振荡器电路

参数本文文献[4]文献[5]文献[6]设计[J]•电源技术,2012,36(11) ：1697 -1699.特征尺寸/凹0.0280.250.180.7作者简介：电源电压/V0.92.51.83.3刘克赛(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路

控制电压变化范围/V0.2-0.70.6~2.40.4-1.70 ~3.3设计。调频范围/MHz600 -1600120 -7500-1000-271.7郭建(1956-),男，博士，教授，研究领域为光图像信息处

非线性度/%38-7.48理、光学功能材料。(上接第109页)2004,40(30) ：20 -22.[9] 杜伟略•单片机接口技术[M ] •西安:西安电子科技大学出版

作者简介：社,2010.吴永忠(1964-),男，博士，教授，硕士研究生导师，主要研究

[10] 谢三毛，康嘉斌，李鹏，等•基于单片机的微弱光电信号检测

领域为信号与信息处理,E-mail ：wyz64@ 163. como系统[J]•仪表技术与传感器,2018(3)：57 -59.梅新星(1994-),女,通讯作者,硕士研究生，研究方向为信号 [111张友生•层次式软件体系结构模型[J].计算机工程与应用,检测与处理,E-mail：1761636617@qq. com0