时间：2022-02-01 20:17:34
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇光电技术论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
论文摘要：光电子器件和部件广泛应用于长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器装备，预期还会在未来的光计算中发挥重要作用。本文将介绍国内外光电子技术及光电子产业的发展。
如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。美国商务部指出：“90年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本《呼声》月刊也有类似的评论：“21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业……”，可以断言，光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。
1世界光电子技术和产业的发展
光纤通信技术的发展速度远远超过当初人们的预料，光纤已经成为通信网的重要传输媒介，现在世界上大约有60%的通信业务经光纤传输，到20世纪末将达到85%，但从目前光纤通信的整体水平来看，仍处于初级阶段，光纤通信的巨大潜力还没有完全开发出来。目前，各种新技术层出不穷，密集波分复用技术（DWDM，在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力）、掺铒光纤放大器技术（EDFA，可将光信号直接放大，具有输出功率高、噪声小，增益带宽等优点）已取得突破性进展并得到广泛的应用。现在DWDM系统和光传输设备中，光电技术的比例将从过去比重不到10%达到90%。一种全新的、无需进行任何光电变换的光波通信——“全光通信”，由于波分复用技术和掺铒光纤放大器技术的进展，也日趋成熟，将在横跨太平洋和大西洋的通信系统上首次使用，给全球的通信业带来蓬勃生机。为此提供支撑的就是半导体光电子器件和部件。光电子器件和技术已形成一个快速增长的、巨大的光电子产业，对国民经济的发展起着越来越大的作用。美国光电子产业振兴协会估计，到2003年，光电子产业的总产值将达2000亿美元。
Internet应用的飞速增长对电信骨干网带宽提出越来越高的需求，为满足需求的增长，人们可以铺设更多的光纤，或靠提高单路光的信息运载量（现在主干网可以分别工作在2.5Gbps和10Gbps，并已有40Gbps的演示性设备）。但更主要的方法却是靠发展波分复用技术，增加光纤内通光的路数（光波分复用的实验记录已经达到2.64Tbps）。波分复用技术的普遍运用为光电子器件和部件提供了广阔的、快速增长的市场。无限战略公司的报告指出：“信号传输用1.31μm和1.55μm激光器市场1999年达到13亿美元，比去年增加23%；1.48μm信号放大用激光器1999年市场份额达到1.6亿美元，比去年增加33%；980nm信号放大用激光器销售额达2.9亿美元，比去年增长121%。整个激光器市场的份额1999年达18亿美元，预期2003年将达到30亿美元”。美国通信工业研究公司（CIR）的研究预测，北美市场光电子部件的市场规模将由目前的28亿美元增长到2003年的61亿美元，约每年增长18.5%。密集波分复用设备销售额也将从1998年的22亿美元增加到2004年的94亿美元。报告称虽然10年内全光通信还不会全面商业化，但是全光交换将在几年内成为市场主流，报告也指出尽管光学部件市场被大公司所占据，但仍有创新性公司进入的可能。
2我国的光电子技术和产业
近10年来我国光电子技术研究在国家“863”计划和有关部门的支持下有了突飞猛进的进展，在很多领域同国外先进国家只有两三年的距离，个别领域还处于世界领先地位。
国内光电子有关产业基地在光电子器件、部件和子系统（如激光器、探测器、光收发模块、EDFA、无源光器件）等已经占领了国内较大的市场份额，初步具备同国外大公司竞争的能力，在毫无市场保护的情况下，靠自己的力量争得了一席之地，市场营销逐年有较大的增长，个别产品还取得国际市场相关产品中的销量最大的成绩。我国相应研究发展基地和本领域高技术公司的许多产品填补了国内相关产品的空白，打破国外产品在市场上的垄断地位，同时争取进入国际市场。
掺铒光纤放大器（EDFA）是高速大容量光纤通信系统必需的关键部件，国内企业产品占国内市场40%的份额。我国也是目前国际上少数几个有能力研制PIC和OEIC的国家。808nm大功率激光器及其泵浦的固体绿光激光器，670nm红光激光器已产品化和商品化并批量占领国际市场。国内移动通信的光纤直放站所用的光电器件，90%使用国产器件，国产1.55μmDFB激光器战胜了国外器件，占领了100%的国内市场。
但是，我们应当认识到在我国光电子技术发展中，光电子器件、部件虽是光通信、光显示、光存储等高技术产业的关键部分，但在整个系统和设备成本中所占的比重较小，其产值较低，目前科研开发主要处于跟踪和小批量生产阶段，光电子产业所需的规模化、产业化生产技术目前还未有实质突破；国内研究生产的光电器件和部件有相当部分还未能满足整机和系统的要求，导致国外器件占据国内市场相当多的份额；在机制上仍未摆脱科研、生产、市场相互脱离的状况。
《光电材料导论》是我校无机非金属材料专业2013年开设的专业课程。开设这门课程的原因是：（1）国家在十二五规划中提出了重点发展的七大战略性新兴产业，其中之一的的新材料产业包含了功能材料，而光电材料是功能材料的一种；（2）我校的无机非金属材料教研室的很多老师从事光电材料相关的研究，具备开设这门课程的师资力量。所以在课程的教学内容的选材方面，我们会着重从这两个方面考虑。而教学方法会利用现在的多媒体技术，与传统的板书相结合，让学生更加形象生动的加深对知识的理解[1]。
1 教学内容的选材
在教学内容的选材方面，我们综合考虑了以下几个因素：
首先，学生必须能够有所学，开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种，为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点，教学内容分成三个方面：光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先，讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点，在具有这些知识的基础上，再讲解光电材料及器件方面的知识，学生们就比较容易理解。
其次，我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容，既考虑了学生们以后的就业，也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料，其实半导体材料也是一种导电材料，之所以把半导体材料单独作为一个章节，是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料，这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。
2 教学方法的探索
光电材料的内容更新很快，现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识，更应该掌握最新的知识点，更应该了解光电材料的最新研究进展，而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容，使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2]，也能让学生及时了解学习最新的材料知识。
多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3]，因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识，比如：太阳能电池的工作原理，我们可以在Powerpoint（PPT）上给出太阳能电池工作原理图，然后再对照图给学生详细讲解其原理，学生将更深刻的理解其原理。再比如，在讲解光纤的传输原理时，可以通过多媒体技术使用动画，让学生很直观地了解光纤的原理。
但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来，因为有些知识仅仅通过多媒体展示，学生可能比较难理解，还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解，同时也可以加深同学的印象。
同时，我们在整个的教学过程中，采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问，启发学生自主思考，加深学生对知识点的理解。
3 课程考核方式的选择
课程考核的成绩包含两个方面，一个是平时成绩的考核，一个是期末成绩的考核。
平时成绩的考核，我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度，还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面，一个是对课上内容的考查，帮助学生巩固课上知识，另一个是对课外知识的拓展，督促学生课后查阅文献，培养学生的学习能力。
期末成绩的考核，我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期，总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快，而教学课时比较有限，通过撰写科技论文的形式，既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展，又可以锻炼学生查阅文献的能力，培养学生总结文献的能力，有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。
4 需要改进的地方
作为本专业开设的新课，在教学的探索与实践过程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结，具体包括以下三个方面：
（1）在多媒体教学过程中，我们不仅只是使用了PPT这个软件，还应该引入视频，比如，在讲解使用直拉法制备单晶硅时，就可以引入一段视频，让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。
（2）在教学的过程中，我们还应该出示实物，让学生能够直接接触，加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED，单晶硅片和多晶硅片（这时，还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等，不但增强生学习光电材料的兴趣，而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。
（3）在教学过程中，我们还应该加入两个学时的讨论课，老师布置一个题目，让学生课后准备，几个学生一组，进行资料搜集与整理，然后让一个学生做代表，在讨论课上做PPT报告，其他组的学生进行提问，作报告的学生做解答。同时这个也要纳入平时成绩中，占总成绩的20%。
关键词：光电编码器；角加速度观测器；硬件在回路；加速度反馈控制
中图分类号：TH113.2 文献标识码：A
Abstract：Acceleration information is often needed to realize the acceleration feedback control in modern servo control systems， while in the rotary motion form the observer algorithm based on motor model to estimate the angular velocity or angular acceleration is far less than the method to use an acceleration transducer. But the rotating accelerometer is high priced and restricts the application range because of its performance index. The article proposed an angular acceleration algorithm based on angular information measured by photoelectric encoder and model information of the observing object， which can estimate the acceleration of the servo control systems. It can also observe the angular rotation， angular velocity and severely changed angular acceleration with excellent effects which verified the robustness and feasibility through the hardware in the loop simulation based on RT-LAB platform. The proposed algorithm can also suit for servo systems which was not droved by motors and apply more widely， what’s more， the low costs make it more suitable for engineering.
Keywords：photoelectric encoder；angular acceleration observer；hardware in the loop；acceleration feedback control
1 引言
伺服系y多数以位置和速度为跟踪目标[1]，文献[2]中，刘栋良等针对永磁同步电机，利用其定子交轴电流和转速方程构造观测器，通过降维线性Luenberger算法实现了电机转子角速度的估算。文献[3]中，郭鸿浩等人针对永磁无刷直流电机提出了角加速观测方法，首先通过构建滑模观测器观测反电动势波形，再设计卡尔曼滤波器从观测得到的反电动势归一化波形中提取位置信息，进而实现对角加速度的估计，但是扩展反电动势的表达式较为复杂，其大小与转速、电机电流及微分值有关，鲁棒性较差。且对于非电机驱动的轴系，这种依赖电机模型的估计方法也无能为力。工程实践中，大多数情况下伺服系统旋转运动为非匀速运动，传统的角速度观测算法仅限于处于稳态的恒定角速度观测，对于动态加减速过程的角速度或均匀变化的角加速度的观测存在较大误差，并且机电或液压等伺服系统由于存在内部和外部的干扰、自身参数的摄动等不确定因素，严重影响观测算法的性能。因此，对于旋转伺服系统的转速观测，基于编码器的方法更为可靠，中国科学院自动化研究所的秦晓飞等对传统的M/T测速算法进行了改进[4]，提出一种基于假脉冲剔除的M/T测速算法，能够消除机械振动引起的位置量化误差，提高了交流伺服系统的测速性能；北京交通大学的文晓艳等详细讨论了M法和T法在工程实践中的应用并对其性能做了详细分析[5]，指出工程应用中应该注意的问题。然而这两种方法并不适用于对角加速的观测，目前基于旋转加速度计的方法测量角加速度存在传感器价格昂贵或技术指标适用范围窄等原因[6]，使得其难以应用于角加速度反馈或角速度反馈的控制过程；基于电机模型的观测器算法估计角速度或角加速度也是一种常用方法[7-10]，大量实验表明，基于模型观测器估计算法的加速度反馈控制系统，其控制性能远远不及基于加速度传感器的加速度反馈控制系统，Bramde Jager[11]和Ivan Godler[12]等人分别对此作出了详细研究。因此基于位置传感器和观测算法来有效获取角速度和角加速度信息是一种折中的选择。论文采用高阶观测器算法，能够观测剧烈变化的转速，性能优于常规观测算法，且能够实现非剧烈变化的角加速度观测，为加速度反馈鲁棒控制提供一种有效方法，最后通过实验对比验证了论文提出的加速度观测算法的跟踪性能和算法的可实现性。
2 光电编码器工作原理
光电编码器是由光源、光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘是在固定直径的圆盘上等分地开通若干个长方形孔，通过联轴器的带动，当光电编码盘和轴一起旋转时，光源发光通过透镜照射到光敏电阻上，经过检测装置检测输出脉冲信号。结构原理如图1所示。
光电编码器的输出量有模拟量和数字量两种形式，论文以数字编码器为例进行研究。数字增量式编码器直接利用光电转换原理输出3组方波脉冲信号，分别为A相、B相和C相， A相与B相的相位差为90度，C相为每转一周输出一个脉冲，用于基准点定位，输出波形如图2所示。
编码器旋转方向的判断是通过将A相B相输出值保存起来，与下一个A相B相输出值做比较，通过编码时序就可以判断出编码器的旋转方向，图2中标示出了输出波形与编码器旋转方向的关系，算法的实现是通过判断编码器输出AB两相的状态转移顺序，如图3所示。
增量式编码器测量转角的方法是通过读取脉冲数的方式计算出旋转的角度或转速等参数。而不同规格型号的编码器光栅码盘上的光栅线数是不同的，光栅线数决定每周输出的脉冲数量，即影响测量的精度。采用正交编码方式可以方便实现倍频电路设计，提高编码器测量精度。
3 三阶观测器设计
6 结论
为了适应伺服控制系统中加速度反馈控制方式对角加速度进行观测的需求，论文提出一种基于增量式光电编码器和观测算法相结合的方法，用于观测角加速度变化规律，并通过半实物仿真平台进行验证，观测效果良好，克服了采用旋转加速度计价格昂贵和适用范围小的问题，克服了基于电机模型纯算法估计的不准确问题，克服了针对非电机驱动的旋转伺服系统无法使用估计算法的问题。计算量小，可以应用于实时系统，跟踪性能好，可以实现角位移，角速度和剧烈变化的角加速度的观测，满足伺服系统的控制需求。
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目前，利用太阳能最直接有效的方式便是光伏转换，即将太阳的光能直接转换为电能而供人类使用。而目前的光伏产品主要是技术相对成熟的硅太阳能电池，尽管其光电转换效率很高，但对硅材料的后处理会产生大量废液，严重污染生态环境。长此以往，能源问题还没解决，环境问题已经产生。怎么办？中国海洋大学唐群委教授，给出了他的答案：染料敏化太阳能电池。
唐群委，1980年8月生于山东潍坊，历经山东大学学士、华侨大学博士、法国斯特拉斯堡大学博士后、华侨大学访问学者、美国南卡罗莱纳大学博士后，于2012年正式学成归来，成为了中国海洋大学材料科学与工程研究院的一名教授，硕士生导师。作为中国海洋大学最年轻的教授之一，唐群委肩负着高效染料敏化太阳能电池开发的重任。
染料敏化太阳能电池，一种模仿光合作用原理研制而成的新型太阳能电池，制作工艺相对简单，生产成本仅为普通硅太阳能电池的1/4。在整个工作过程中，除电流外，无其他物质释放。但目前的染料敏化太阳能电池中的光电转换效率远低于其理论值，因此，提高染料敏化太阳能电池光电转换效率就成为唐群委教授及其团队的主要目标。
唐群委教授长期从事新型材料和化学领域研究，在功能性水凝胶、自组装导电多层膜、染料敏化太阳能电池等领域取得突出的研究成果，已在Adv Mater，AdvEnergy Mater，Chem Commun，J Materchem等国际权威杂志发表SCI80余篇，申请国家发明专利11项。博士学位论文“导电多层膜的层层自组装及性能研究”获得2012年福建省优秀博士学位论文。
年轻且成绩骄人。这些光环的背后，是敏锐的洞察力、艰辛的工作和大胆的创新：
――他首次提出“自组装导电多层膜”的概念并成功发现自组装导电多层膜的电导率随组装层数的渗滤现象，提出了新的导电机理，奠定了自组装导电多层膜在光电子纳米器件中应用的理论基础。
――首次开发了低铂、非铂合金对电极材料，相对于全铂对电极，对电解质的催化效果提高2～3倍，而成本仅为其1/50。
――开发了双面同时透射提高染料敏化太阳能电池性能的技术，相对于单面透射，染料敏化太阳能电池的光电转换效率提高了30%以上。
――针对光阳极中因入射太阳光衰减导致染料激发不完全的难题，设计了一系列具有明显增透效果的光阳极材料，所制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率提高至11%，达到国际先进水平。
但这仅仅是个开始，唐群委并没有因已得成绩而止步，染料敏化太阳能电池要真正实现产业化，还将面临一段漫长的考验。他深切的知道这项技术的发展和应用对于人类的能源危机意味着什么。
英文名称：Laser Journal
主管单位：重庆市科学技术委员会
主办单位：重庆市光学机械研究所
出版周期：双月刊
出版地址：重庆市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：0253-2743
国内刊号：50-1085/TN
邮发代号：78-9
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1975
期刊收录：
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
中国科学引文数据库(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
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中科双效期刊
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区域产业是指在某一特定区域内，生产同类商品或提供同种服务的所有企业的集合，反映的主要是产业空间布局状况以及由此所决定的区域间横向经济关系。生物工程相关产业涵盖医药、食品、检验、环保、农业等领域⑤，产业相关集群的形成对于促进地方经济建设，保障经济、社会、环境与人的协调发展意义重大。
1．生物工程相关产业在国民经济中的地位“十一五”以来，国务院批准了《促进生物产业加快发展的若干政策》和《生物产业发展“十一五”规划》，大力推进生物技术研发和创新成果产业化，生物产业产值以年均22．9％的速度增长。《国务院关于印发生物产业发展规划的通知》提出，到2015年，生物产业增加值占国内生产总值的比重将比2010年翻一番；到2020年，把生物产业发展成为国民经济支柱产业。《国家“十二五”科学和技术发展规划》和《国家“十二五”生物技术发展规划》明确提出将“研究预防和早期诊断关键技术，显著提高重大疾病诊断和防治能力”作为“人口与健康”重点领域的发展思路之一；将生物制药技术列为重大支持方向之一；将食品安全列为民生科技示范重点，食品安全检测产业将成为新型公益类重点资助领域。
2．吉林省生物工程相关产业发展现状“振兴东北老工业基地”、“长吉图开发开放先导区”、“长春市国家级生物产业基地”等国家和地方的政策性投入，使吉林省生物工程领域产业的发展形成了比较优势，已拥有长春生物制品研究所、通化东宝等一批大中型生物医药企业集团和一大批中小型生物医药研发和制药企业，以及长春迪瑞、长春汇力、长春博德等体外诊断检测试剂和仪器生产企业。2012年，相关产业整体呈现快速、强劲的发展势头，全年医药产业实现销售产值1550亿元以上，同比增长34．7％⑥。吉林省工业发展“十二五”规划提出，在医药产业方面，将吉林省建设成为国内外具有重要影响的国家生物药基地、中药北药基地；在医疗仪器设备及器械方面，提升医疗器械行业发展水平，加快补齐医药产业发展短板，重点发展多功能激光治疗设备、临床检验分析仪器等医疗检验仪器。到2015年，全省医药工业总产值达到2000亿元，年均增长27％⑦。
3．吉林省生物工程相关产业高层次人才相对不足目前，吉林省生物技术制药产业发展迅速，但企业创新能力薄弱、仿制药比重较大；高端医学仪器设备、中端试剂和仪器一体化被国外垄断。原因之一是企业技术力量十分薄弱，缺少足够的优秀创新人才，造成核心技术往往依赖引进，受制于人。生物工程产业是高技术产业，通过对相关产业调研发现：（1）生物产业飞速发展导致人才数量缺口加大；（2）产业创新能力提升导致高端人才匮乏；（3）国内外同行业的发展差距导致人才流失严重；（4）要突破国外技术壁垒需要生物医学与机电一体化人才；（5）高技术产业经济发展对人才实践能力的要求攀升。因此，吉林省生物工程相关产业创新能力的提升和持续健康发展需要大批高层次实践创新人才。《国家中长期生物技术人才发展规划（2010－2020年）》指出，重点培养生物产业高端创新型人才、产业链关键环节专业人才；鼓励企业与科研机构、高校联合建立生物技术人才培养基地；建立人才及人才团队在企业与科研院所之间流动的畅通渠道。目前，吉林省生物工程专业硕士学位授权单位仅3所，即吉林大学、吉林农业大学、中科院东北地理与农业生态研究所。3所招生单位为吉林省生物工程产业输送了优秀人才，但在生物、医学、光学、机电一体化人才培养方面尚不能满足我省生物工程相关产业发展对人才的需求。
二、长春理工大学对生物工程专业硕士学位研究生培养体系建设的探索
1．多学科交叉融合，凝练专业特色，明确人才培养目标定位长春理工大学坚持生物、医学、光学、机电等多学科交叉融合的办学特色，结合吉林省生物医药、食品安全检测工程产业等区域产业发展规划，形成了生物医学光机电一体化技术的生物工程优势学科。涵盖三个稳定的、特色鲜明的专业方向：（1）生物医学检验工程，以国产化及自主创新的生物医学检验试剂与配套光电检验仪器一体化技术为研发目标；（2）医药用生物反应器与监测设备工程，侧重基因重组药物的通用载体生物反应器构建与应用技术，以及细胞工厂配套光电显微光电监控设备的研发；（3）食品安全检测工程，侧重食品中雌激素类、毒素、农药残留等污染物快速检测试剂与配套光电检测仪器的研发。为吉林省医药、卫生、食品、商检等企事业单位培养具有创新能力的应用复合型高层次人才。
2．优化课程体系，构建双师型导师队伍，探索三对接人才培养模式整合教学与实践优势，按照专业方向的不同，采用分类培养的指导思想，突出知识背景交叉与能力培养并重的特色，设置了科学合理的课程体系，包括必修课（18学分）、公选课（10学分）、方向选修课（6学分）三个模块，模块间遵循“夯实基础－提高能力－强化应用”的培养规律。教学团队由企业专家、国外学者和校内教师组成，企业专家讲授实践性较强的课程，国外专家学者主讲学科前沿性讲座，突出实践与前沿的兼顾。采取集体培养与个人负责相结合的指导方式，构建双师型导师队伍。导师组由具有副教授以上职称或博士学位的校内教师，和具有高级专业技术职务或具有博士学位的合作单位专家组成。形成一支结构合理、学术思想活跃、教学科研与实践经验丰富的教学团队。以实际项目为主要载体，融通基础理论教学、前沿技术和实践教学，构建“学研用”三位一体的人才培养模式。学习方式分为全日制学习方式，学制2．5年；非全日制学习方式，学制3年。培养方式为校企（行）联合培养，对于全日制学生，1年在校理论学习，半年行（企）业顶岗实践，1年结合岗位实践内容完成毕业论文；对于非全日制学生，1年在校理论学习，半年企业顶岗实践，1．5年结合岗位实践内容完成毕业论文。实现了人才培养与合作单位、生源层次、业界需求的对接，学校和用人单位的无缝连接。
3．建立校企联盟，拓展实践教学基地，全面提升人才实践创新能力专业学位研究生培养的重点在于实践和创新能力的培养，企业和行业参与高校专业学位研究生教育是保证专业学位研究生教育质量的重要手段⑧。因此，通过校企合作和优势互补，建立工程实践基地，实现研究生联合培养，已成为提升工程硕士研究生实践能力的重中之重。长春理工大学与相关企业在联合攻关、学术交流、学生就业、本科生实习等方面进行合作的基础上，建立了生物工程专业硕士培养的校企联盟。目前，与长春生物制品所有限公司、长春迪瑞医疗科技股份有限公司等15家企事业单位签署了实践基地合作协议，形成了以吉林省为中心，辐射北京、上海等地的稳定的校外实践教学基地。此外，校内建设的与该学科直接相关的实践教学平台有生命科学基础实验中心，吉林省生物检测工程实验室和吉林省中药生物工程二级实验室2个省级重点实验室，2个学校参股的集生物医学光机电一体化研发与生产的高新技术企业。目前，已投入建设经费3000余万元。校内外实践基地的建设，为学生提供了充足的实践机会，使学生在读期间能参与企业生产、关键技术攻关和新产品研发，全面提升了人才的创新实践能力和就业竞争力。
4．“产学研”联动，以科研合作为纽带，保障学位论文的先进性与实用性“产学研”合作教育的本质特征是寻求高等教育自身规律与现实社会对人才需求之间矛盾的解决⑨。通过“产学研”合作教育，实现教学、科研、生产三结合，能更有效地提高办学水平和人才培养质量，克服高等教育脱离社会实践需要的倾向，增强其社会适应能力和生存能力⑩。自2000年以来，我校先后与中国药品生物制品检定所、中国食品检验检疫研究院、长春生物制品所有限公司、长春百克药业有限责任公司、长春迪瑞医疗科技股份有限公司、吉林省紫辰光电有限公司等多家企业，联合完成了国家级、省级和横向科研项目17项，累积科研经费达2000余万元。以科研合作为纽带，将科研项目立项、研发推广过程与生物工程专业硕士培养相结合，形成了“产学研”联动模式，增进了学校与企业间的合作交流。学生毕业论文选题结合专业方向、校企联合攻关项目和企业实际需求，鼓励原始创新或集成创新。学生在校内和校外导师的共同指导下，掌握了扎实的专业理论基础和先进的实践技术手段，具备了综合运用科学理论和技术方法解决实际工程技术问题的能力，保障了学位论文的先进性与实用性。
关键词：光纤，光交换，FTTH，多模光纤，单模光纤
0.引言
光纤技术发展到现在，已经十分的成熟，应用也先当广泛，但是还是有很大的发展空间的。本文从它比较有前景的光交换技术以及FTTH两个大的方面来分别论述一下他们的现状已经优缺点，最后再介绍一下光纤的种类和选择光纤的方法。
1.光交换是未来发展的趋势
光交换是指不经过任何光/电转换，将输入端光信号直接交换到任意的光输出端。光交换是全光网络的关键技术之一。在现代通信网中，全光网是未来宽带通信网的发展方向。全光网可以克服电子交换在容量上的瓶颈限制；可以大量节省建网成本；可以大大提高网络的灵活性和可靠性。光交换技术也可以分为光路交换和分组交换。由于技术上的原因，目前还主要是开发光路交换，但今后发展方向将是分组光交换。
光纤只是解决传输问题,还需要解决光的交换问题。过去,通信网都是由金属线缆构成的,传输的是电子信号,交换是采用电子交换机。现在,通信网除了用户末端一小段外,都是光纤,传输的是光信号。合理的方法应该采用光交换。但目前,由于目前光开关器件不成熟,只能采用的是“光-电-光”方式来解决光网的交换,即把光信号变成电信号,用电子交换后,再变还光信号。显然是不合理的办法,是效串不高和不经济的。正在开发大容量的光开关,以实现光交换网络,特别是所谓ASON-自动交换光网络。
目前市场上看到的光交换，多数是基于光电和光机械的。而基于热学、液晶、声学、微光机电技术等光交换机将逐步被研发出来。其中微光机电技术（MEMS）是目前最有前途的一项技术。光交换为IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面，通过光交换可以使现有的IP骨干网的协议层次扁平化，更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力；另外一方面，由于光交换网对突发包的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，从而使光突发交换机能够真正的实现所谓的T比特级光路由器，彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。此外，光交换的QoS支持特征也符合下一代 Internet的要求。因此，光交换网络很有希望取代当前基于ATM/SDH架构和电子路由器的IP骨干网，成为下一代光子化的Internet骨干网。
2.光纤到家庭(FTTH)的发展
FTTH(Fiber To The Home )，顾名思义就是一根光纤直接到家庭。具体说，FTTH是指将光网络单元(ONU)安装在住家用户或企业用户处，是光接入系列中除FTTD(光纤到桌面)外最靠近用户的光接入网应用类型。FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。
FTTH可向用户提供极丰富的带宽,所以一直被认为是理想的接入方式,对于实现信息社会有重要作用,还需要大规模推广和建设。FTTH所需要的光纤是现有已敷光纤的2～3倍。论文参考网。过去由于FTTH成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使FTTH还未能大力发展,只有少量的试验。近年来,由于光电子元器件的进步,光收发模块和光纤的价格大大降低;另外宽带内容日趋丰富,都加速了FTTH的实用化进程。
FTTH的优势主要是有5点：第一，它是无源网络，从局端到用户，中间基本上可以做到无源；第二，它的带宽是比较宽的，长距离正好符合运营商的大规模运用方式；第三，因为它是在光纤上承载的业务，所以并没有什么问题；第四，由于它的带宽比较宽，支持的协议比较灵活；第五，随着技术的发展，包括点对点、1.25G和FTTH的方式都制定了比较完善的功能。
发达国家对FTTH的看法不完全相同:美国运行商Verizon和Sprint比较积极,要在10—12年内采用FTTH改造网络。日本NTT发展FTTH最早, 早在1997 年日本NTT 公司就开始发展FTTH，2000年后由于成本降低而使用户数量大增；美国在2002 年前后的12 月中FTTH的安装数量增加了200%以上。
FTTH[遇到的挑战:现在广泛采用的ADSL技术尚有一定优势。与FTTH相比:①价格低廉②利用原有铜线网使工程建设简单③对于目前影视节目及文件的传输ADSL既可满足需求。这些原因使得FTTH目前大量推广受制约。
设备成本过高造成投资效益低是阻碍FTTH发展关键因素。目前FTTH的设备价格还非常高昂，往往一线售价近1000美元，但在日本和美国等发达国家仍然得到了较好的发展，其原因之一就是其电信运营商可以向用户收取较高的服务费。据了解，在日本电信运营商向FTTH用户每月收取5000—6000日元服务费，折合人民币约400—500元，在美国FTTH用户每户每月服务费也约为80—100美元，电信运营商的FTTH网络一般2—3年可以收回投资，这种投资效益显然是不错的。但在中国情况则完全不同。在国内不少城市，由于激烈的市场竞争，ADSL和基于5类线的LAN宽带接入月使用费已降到50元人民币以下，个别使用费较高的地区，如深圳，月使用费也只有100元人民币。基于这种宽带接入服务的资费水平根本无法支撑FTTH网络建设和运营，投资回收周期长达10年，这样的投资效益显然不可能唤起电信运营商的投资兴趣。可见，宽带接入市场需要的是低成本的FTTH，惟有低成本的FTTH才会有应用和发展的机会，而且也一定会有发展的机会。
光纤本身也有缺点，如质地较脆，机械强度低就是它的致命弱点。稍不注意，就会折断于光缆外皮当中。而且光纤的接续比较困难，施工人员要有比较好的切断、连接、分路和耦合技术。
FTTH的解决方案: 目前，FTTH接入技术主要有两大类：基于无源光网络（Passive Optical Network—PON）接入技术的EPON和GPON，基于小区有源交换接入（Active Optical Network——AON）的Fiber P2P技术。
P2P方案一一优点:各用户独立传输互不影响,体制变动灵活;可以采用廉价的低速光电子模块;传输距离长。缺点:需要在用户区安置1个汇总用户的有源节点，用以减少用户直接到局的光纤和管道数量。
PON方案——优点:无源网络维护简单，原则上可以节省光电子器件和光纤。缺点:需要采用价格昂贵的高速光电子模块;需要采用区分用户距离不同的电子模块,避免各用户上行信号互相冲突;传输距离受PON分比而缩短;各用户的下行带宽互相占用,如果用户带宽得不到保证时,不仅要网络扩容,还需要更换PON和更换用户模块来解决。
PON有多种,一般有如下几种:(1)APON:即ATM-PON,适合ATM交换网络。(2)BPON:即宽带的PON。(3)OPON:采用通用帧处理的OFP-PON。(4)EPON:采用以太网技术的PON,0EPON是千兆毕以太网的PON。(5)WDM-PON:采用波分复用来区分用户的PON,由于用户与波长有关,使维护不便,在FTTH中很少采用。
近来,由于无线接入技术的迅速发展，可用作WLAN的IEEE802.11g协议,传输带宽可达54Mbps,覆盖范围达100米以上,目前已可商用。论文参考网。如果采用无线接入WLAN作用户的数据传输,对于一般用户其上行数据量不大,IEEES02.11g是可以满足的。而FTTH主要解决HDTV宽带视频的大数据下行传输,在需要时也可包含一些下行数据。这就形成“光纤到家庭+无线接入”(FTTH+无线接入)的家庭网络。这种家庭网络,如果采用PON方式就特别简单,因为此PON无上行数据,不需要测距的电子模块,使得成本大大降低,维护也十分简单。如果所属PON的用户群体被无线城域网WiMAX(1EEE802.16)覆盖,那么就不需要再建设专用的WLAN。接入网采用无线是趋势,但无线接入网仍需要密布于用户附近的光纤网来支撑,与FTTH基本相当。FTTH+无线接入是未来网络的发展趋势。
3.光纤的正确选择和使用
下面谈谈光纤的正确选择和使用方法。光纤大类上可分为多模光纤和单模光纤。
多模光纤是指可以传输多个光传导模的光纤。在光纤通信初期，就是使用的就是多模光纤(G.651光纤)，其工作波长在850nm或1300nm，衰减常数分别为<4dB/km和<3dB/km，色散系数分别为<120ps/(nm.km)和<6ps/(nm.km)。由于它的衰耗和色散大，故只能用于短距离通信。但它芯径大，对于接头和连接器的要求都不高，使用起来比单模光纤要方便，目前多用于局域网。
单模光纤是指只传输一个光传导模（基模）的光纤。其主要优点是衰减较小，传输距离长，传输容量大，在长途骨干网、城域网、接入网等场合均有广泛应用。单模光纤由于只能传输基模，它不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，单模光纤的带宽可达几十GHz以上。论文参考网。所以单模光纤特别适合用于长距离、大容量的通信系统。随着光纤制造技术和通信技术的不断发展，单模光纤的种类也在发展。常用的单模光纤有以下几种: G.652光纤，G.653光纤，G.655光纤。
选择光纤时应该注意以下三个参数:①最大无中继传输距离 ②波长的最大比特率 ③光纤的波长数。以上参数都必须考虑到光纤布设终期的要求。如果最大无中继传输距离在50～100km，建议选择G.652常规光纤，它价格低廉，适合短距离传输。如果距离更长，但只需要单波长在10Gbit/s 以上，则可选用G.653色散位移光纤。如果不但距离长，而且需要多波长承载10 Gbit/s 或更高速率，那么最佳选择则是G.655光纤。
由此可以总结出以下光纤选择原则:1.距离短应选择G.652常规光纤,采用较多纤芯所增加的投资不大。2.长距离光缆因为传输距离长，必须采用高速率和多波长的波分复用技术，G.655色散位移光纤是最为理想的选择。
4.结束语
光纤通信技术现已作为一种重要的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用，在全球通信领域及相关行业在全球处于非常低迷的状态时，光纤通信技术仍得到了一些发展。依照我国现行的通信技术领域的发展模式，光纤通信技术的应用必会代替一切其他的信息传送方式，而成为未来通信领域发展的主流技术，带领人类进入全光时代!
参考文献
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[2] 杨淑雯. 全光光纤通信网[M]. 科学出版社, 2004
[3] 孙学康, 张金菊. 光纤通信技术[M].北京: 人民邮电出版社, 2004.
[4] 陈才和. 光纤通信[M]. 北京:电子工业出版社, 2004.
关键词 教学改革 创新能力 物理 教学内容
中图分类号：G642 文献标识码：A
0 前言
应用物理学是当今高新技术创新发展的基础，是多种技术学科的支柱。与本专业存在交叉的专业包括光学、工程物理、半导体和材料专业等。目前，我国对物理专业的人才需求仍旧是供不应求，但表面上却是学生就业压力大。对人才培养的需求加上建设创新型国家和国际经济一体化的大背景，要求将创新教育贯穿于各级各类教育的全过程。本研究将立足于应用物理专业学生创新思维与创新能力的培养。对工科院校物理专业培养目标进行符合市场需求的重新定位，为高等院校物理专业深化教育教学改革提供有益经验。
1 研究思路
学院本着“理工交融”的办学特色和“厚基础、宽口径、重实践、求创新”的人才培养模式，着力打造本科生的培养。注重与新科技、新产业以及地方经济结合安排课程，积极开展大学生素质拓展和科技创新活动，正在走出一条分层次培养、适应社会需求的人才培养道路。
2 改革的内容
（1）改革培养方案，优化课程结构，多元化设置培养方向。学院将应用物理专业发展为应用物理、材料物理、光电信息科学与工程三个专业，完成人才培养方案修订，并组织实施。并在实践中进一步修改，使之逐步趋于完善；优化课程结构，按照“少而精”的原则设置必修课；增加选修课比重，允许学生跨系跨专业选修课程，使学生依托一个专业，着眼于综合性较强的跨学科训练；分层次设置课程，尽量做到因材择课，兴趣与学习结合。
（2）改革课堂教学，优化教学形式，把创新能力培育纳入课堂中。学生的创新精神和创新能力的培养也必须渗透到各科课堂教学过程中。多门主干课实施教学模式改革，把创新能力培育纳入课堂中。其中，电磁学、热学、近代物理等课程改革获得学校教学成果一等奖，光电子学基础等课程改革获得校教改立项并通过鉴定，原子物理学获得校精品课程。大学物理获得省级精品课程。用多样的课堂教学形式，加强各学科的相互渗透和交叉综合，拓宽学生的思维空间，注意融合学科前沿知识和高新科技，增大课堂信息量，激发学生的创新精神。
（3）实行实验课分层次立体化教学模式，探索开放式实验教学体系。改革实验室管理运行机制，探索和完善实施开放式实验教学的方法及其在课堂教学、实验技能竞赛、创新实验设计竞赛、本科生毕业设计（论文）中的应用。学生实践创新能力得到了培养和提高。建成了河南省物理实验示范中心、洛阳市光电功能材料重点实验室。
（4）改革和完善学生科技创新体系，建立校内创新实践基地。实行学生科学研究训练计划，引导学生在教师的指导下进行科研训练；鼓励学生申报大学生科研训练计划，科技创新项目等，通过科研促进教学，提高学生的科学素质，培养学生的科学精神。
（5）建立和拓展校企联合培养模式，建立校外实践基地，打造人才培养的新模式。建立和拓展校企联合培养的模式，促进本科教育与社会对人才需求的接轨，提升学生就业能力，打造人才培养的新模式。和洛阳凯迈测控、四季沐歌等与物理专业紧密结合的企业建立联合培养的模式，提高学生实践能力，培养为区域经济服务的实用型人才。
3 初步成果和效果
通过四年的改革，取得了令人满意的效果。
（1）形成新的利于学生创新能力培养的物理专业整体培养方案和人才培养模式，建立系统的大学生创新能力培养体系。建立和完善分层次开放式实验教学体系和新的实验室管理运作模式。建设物理实验教学示范中心开放式实验教学管理网站。发表教研论文12篇，举办全国高等学校“热力学与统计物理”教学与学术研讨会。
（2）学生学习研究的主动性、积极性、创新性明显提高。课外创新实践产生了高质量成果。获得河南省级“挑战杯”，河南省机器人游大赛，中国机器人大赛，全国大学生数学建模，全国大学生英语竞赛等比赛的二十余项奖项；学生申报或授权专利15项；参加SRTP项目40项；学生发表实验研究论文23篇。
（3）开辟适应地方高校物理专业的校企联合培养模式，与洛阳开拓者钼业、洛阳鼎晶电子材料有限公司、洛阳嘉盛电源科技有限公司、洛阳金诺机械工程有限公司先后签订校企合作协议，建立一系列的实习基地，实施“预签式” 培养办学模式。
（4）通过教研结合，学生创新能力培养和科学技术研究相互促进，教师实验科学研究成果显著。物理工程学院五个科研团队（光电功能材料、材料物性分析与模拟计算、光电信息及其图像处理、微纳结构与信息光学团队、光纳半导体与传感材料），共近200篇，其中SCI收录94篇，EI/ISTP收录42篇；主持项目47项，其中国家级项目21项，省厅级项目26项；申请发明专利40余项。
4 结束语
本研究对全国同类高校的理工科专业学生创新能力的培养可起到一定借鉴作用。当然，应用物理专业的办学需要研究的课题还很多，还需要在以后实践中进一步探索。
本研究得到河南省高等教育教学改革研究项目（2012 SJGLX149，2014SJGLX197）
参考文献
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[3] 郝世明，李立本，巩晓阳，等.注重创新能力培养的物理专业实验教学改革[J].成才之路，2014（1）：56-56.
关键词：STM32F103，数据采集，数据通信
仿真驾驶模拟器是机械、电子及计算机技术为一体的复杂系统，该系统由驾驶室与电动伺服装置组成的仿真驾驶单元，计算机、投影机和环形幕组成显示单元及驾驶数据采集模块单元组成。仿真驾驶模拟器除可进行模拟驾驶训练外，还具有汽车驾驶技能形成性评价、个性化培训计划、交通事故经典案例教学、驾驶案例性测评等的汽车驾驶应用培训教学。论文格式。论文格式。其中数据采集单元实时采集仿真驾驶室内的各操纵机构状态，并将采集到的数据经串口传送到上位机，上位机通过汽车动力学模型及当前路况信息计算出当前速度、加速度、方向、位置等信息作为计算机实时生成图象和控制电动伺服缸动作依据，同时依据采集到的数据完成对驾驶行为过程回放、行为分析、技能等综合评估。
1数据采集系统总体设计
如图1所示，数据采集系统主要由各检测模块及检测电路、单片机、采集芯片、通信接口和上位机组成。其中采集芯片是系统的核心部件，采用ARM核心的STM32F103芯片，采集芯片控制系统的变速器、转向盘、加速踏板及各种开关等的位置状态，包括对数据进行采集、存取、时间参数设置与主机通信等。时钟信号也是由采集芯片产生，定时对采集芯片机产生复位信号，使主单片机完成一次数据采集，然后又进入休眠状态。其中转向装置采用光电编码器和现场可编程逻辑正列（FPEG）组成数字式传感器，通过RS232与STM32通信。
数据采集系统在工作时，对模拟数据首先要通过放大器对信号进行处理后传送到STM32F103的ADC模块转化为数字信号，对开关量和数字传感器信号通过I/O或通信接口传送到STM32F103，最后采集来的信号按照一定的通信协议发送到上位机处理。
图1 汽车模拟器数据采集系统总体设计
2 硬件设计
仿真驾驶室内的需要检测各种模拟装置的信号。这些状态根据采用的传感器可分为三类：数字量、模拟量和开关量。
2.1 模拟量的采集
加速踏板、离合器踏板和行车制动踏板（三踏板）的踏板行程分别反映供油量大小、离合器结合程度及制动力大小，所以传感器应采集出的是连续变化的量，即是模拟量。模拟量的采集要去抗干扰能力强，在设计中选择了线性位移传感器与三踏板的机械连接组成。线性位移传感器的阻值变化特性为直线型，能够准确反映三踏板行程的大小。
STM32 核心为CORTEX-M3，内部集成了2个1Msps12bit的独立ADC，2个ADC前端由两个多路切换器组成16路的模拟输入通道，并将每个模拟输入通道的结果存入对应的16个A/D转换数据寄存器（ADDR）中。并且内部高达 72MHZ的主频，高达1.25DMIPS/MHZ的处理速度，ADC最高速采样的时候需要1.5+12.5个ADC周期，高速的DMA传输功能，灵活强大的4个TIMER等。加速踏板、离合器踏板和行车制动踏板模拟信号经多路模拟开关和信号调理电路经相应的控制电路与ADC0、ADC1和ADC2三个模拟通道相连，完成对信号的采样与转换。
2.2 开关量采集
模拟的操作有大量的开关量信号。组合开关、点火开关等采用EQ153型实车开关来实现仿真驾驶的开关操作功能，在实车开关上都有微动开关，主芯片可通过光电隔离器与微动开关相连，提取开关量，并转换为标准逻辑电平进行处理。变速器采集模块采用两个PCB电路板构成变速器模拟装置，一个PCB电路板装有4对发光二极管和光敏三极管，一对放光二极管和光敏三极管构成一路采集，固定于变速器外壳内与机械结合采集档位杆操作动作，变速器采集模块与主控板I/O采集接口连接，当有档位使能动作时，主控单片机要实时采集到变速器的使能动作。手制动采集模块选用行程开关模拟，采集手制动动作，行程开关安装于手制动控制杆底侧，手制动采集模块接线端子与主控板I/O接口连接，主控板能实时采集到手制动操作使能。
2.3转向盘关电编码设计
转向盘度采集模块采集转向盘的旋转的角度、方向。考虑在实际驾驶中转向盘要求有一定的间隙，在采集时，采集精度要低，所以选用了以光电编码为原理的码盘检测机构与转向盘的转向立柱连接用于模拟转向装置，光电编码为750个脉冲/圈，将转向盘的角位移转换为电脉冲输出。光电编码单独采用现场可编程逻辑阵列(FPGA)数据处理，FPGA不仅具有高精度的同步传输能力，而且具有速度高、体积小、抗干扰能力强的优点。如图2所示，由光电编码器输出的A相、B相和Z相脉冲信号经光电耦合器抑制传输过程中的高频噪声信号后送入FPGA处理器，在FPGA中按照倍频和鉴别方向设置等进行计数处理，得到实时脉冲数，最后通过RS232与采集芯片通信，并传输到主控芯片STM32F103。
图2 转向盘光电编码硬件设计
2.3 与主机的通信接口
由于数据采集单元与上位机的主控室距离较长，所以采用传输距离可达1000多米，传输速率10Mbs的RS485总线通信标准。通信接口芯片采用Sipex公司的SP3075E芯片，接口设计如图3所示。论文格式。
图3 通信接口连接图
3软件设计
模拟器数据采集系统在数据采集过程中，应完成多路模拟信号的采集和转换，在上位机指令下将采集到的数据按一定的通信协议向上位机发送，并根据上位机下传的各种输出信号直行相应的操作并开始下一次数据采集，将采集的数据储存在采集系统的存储器中，等待上位机的上传指令。按照采集任务，主程序可分为多路AD转换模块、RS485通信模块和中断服务程序模块，软件流程图如图4所示。
图4 主程序流程图
3.1 AD信号采集程序片段及注释
ADC1->CR2.B.ADON = 1; //开启ADC
ADC1->SMPR1.W= 0; //设置每个通道的采样时间
ADC1->SQR1.W= 0; //设置序列转换长度和通道
ADC1->CR1.B.SCAN= 1; //扫描模式开启
ADC1->SQR1.B.L= 5; //转换长度为6
ADC1->CR2.B.DMA= 1; //使用DMA
ADC1->CR2.B.EXTTRIG= 1; //使用外部触发信号
ADC1->CR2.B.CAL= 1; //开始ADC校准
3.2通信接口程序片段及注释
与上位机的通信模块使用了两个中断，分别用于接收和发送中断。通信模块中还需设置破特率BRR。
USART1->BRR.W= UARTclk/Bud; //设置波特率
USART1->CR1.B.UE= 1; //使能UART1模块
USART1->CR1.B.TE= 1; //使能UART1模块发送功能
USART1->CR1.B.RE= 1; //使能UART1模块接收功以
USART1->CR3.B.DMAT= 1; //发送使用DMA方式
USART1->CR1.B.TCIE= 0; //禁止UART1模块发送完成中断
USART1->CR1.B.RXNEIE= 1; //使能UART1模块接收中断
NVIC->ISER2.B.UART1= 1; //使能UART1的中断
NVIC->ISER1.B.DMA1_CH4= 1; //使能DMA结束中断
4 结束语
本文阐述了汽车仿真驾驶模拟器数据采集系统的设计，经实践表明，STM32主控芯片具有强大的数据运算和处理能力，保证了汽车仿真模拟驾驶器数据采集系统能够以高精度和高准确度工作，完成对模拟器数据的采集。
参考文献：
[1]孙洪波等.TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例[M].北京:电子工业出版社,2004.
[2]周立功等.ARM嵌入式系统教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[3]张志勇.数据采集系统硬件设计与实现[J].应用能源技术,2009,10:36-38.
关键词：CCD器件；时序电路；驱动；光积分时间
中图分类号：TP333.5+3文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2009)03-160-03
Design of the Driving Time Sequence Circuit of Linear CCD Based on FPGA
YUAN Jinfeng,CHEN Wenyi,LI Kai
(Xi′an Institute of Post &Telecommunications,Xi′an,710061,China)
Abstract：CCD is used in modern photoelectronics,precision instrument and many aspects.Usually,the driving time sequence is designed under special condition or special uses.This paper takes linear CCD device TCD1500C as example,by researching the character of CCD and sequence circuit waveform,designs driver circuit waveform that uses FPGA and enables it to meet the application requirements.By changing the clock frequency or increasing the cycle-integral number of clock pulses,thus changing optical integration time.
Keywords：CCD device;time sequence circuit;driver;optical integration time
0 引 言
电荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)是一种图像传感器，它在工业、计算机图像处理、军事等方面都得到广泛的应用。目前CCD的应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中起到了相当大的作用。因此，CCD的作用是不可估量的。然而，CCD要正常工作是要驱动时序的，虽然有些CCD往往自带驱动，但是在特殊需要或需要加特殊功能时，CCD驱动往往需要自己设计，例如曝光时间可调等功能。
现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA）是在PAL,GAL,EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
由于FPGA具有易修改，在线编程等特点，可根据不同要求进行在线配置，从而升级方便。另外由于FPGA集成度高，可将系统的部分或全部功能集成在一片芯片上，可减小系统硬件复杂度。
2 CCD工作原理和特性参数
TCD1500C是一种高灵敏度、低暗电流、5 340像元的线阵CCD图像传感器，其像敏单元大小是7 μm×7 μm×7 μm;相邻像元中心距也是7 μm;像元总长是37.38 mm。其驱动时序图如图1所示。TCD1500C在驱动脉冲作用下开始工作。
由图1可知，CCD的一个工作周期分为两个阶段：光积分阶段和电荷转移阶段。在光积分阶段，SH为低电平，它使存储栅和模拟移位寄存器隔离，不会发生电荷转移现象。存储栅和模拟移位寄存器分别工作，存储栅进行光积分，模拟移位寄存器则在驱动脉冲的作用下串行地向输出端转移信号电荷，再由SP进行采样和保持，最后由OS端分别输出。RS信号清除寄存器中的残余电荷。在电荷转移阶段SH为高电平，存储栅和模拟移位寄存器之间导通，实现感光阵列光积分所得的光生电荷势阱中，此时，输出脉冲停止工作，输出端没有有效电荷输出。由于结构上的安排，OS先输出13个虚设像元信号，再输出45个哑元像元，然后再输出5 340个有效像元信号，之后再是12个哑元信号，输出1个奇偶检测信号，以后便是空驱动(空驱动的数目可以是任意的)。
2 芯片的选择以及设计平台概述
FPGA选择的是ALTERA公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4，他是一款典型在线可编程FPGA器件。
设计选择的平台主要是Modelsim。Modelsim仿真工具是Model公司开发的，它支持Verilog DHL,VHDL以及他们的混合仿真，可以将整个程序分布执行，使设计者直接看到它的程序下一步要执行的语句，而且在程序执行的任何步骤任何时刻都可以查看任意变量的当前值，可以在Dataflow窗口查看某一单元或模块的输入输出的连续变化等，比Quartus自带的仿真器功能强大的多，是目前业界最通用的仿真器之一。仿真都正确无误后再用Quartus Ⅱ软件来综合和下片。本程序采用Verilog硬件描述语言编写，其可移植性和可读性都好。
3 CCD驱动时序的设计和实现
由图1所示，其设计方法是：在系统最佳工作频率下，通过基本计数单元产生CCD工作所需的波形，保证CCD正常工作。根据TCD1500C的技术手册，可以看出时钟Φ为典型值0.5 MHz时，占空比为1∶1；输出复位脉冲ΦRS为1 MHz，占空比为1∶3，采样保持脉冲ΦSP=1 MHz，脉冲宽度为100 ns。根据所给出的时序关系图可以得到转移脉冲ΦSH，时钟Φ，复位脉冲RS，采样保持脉冲SP等控制信号的时序图。由于1个ΦSH周期中至少要有5 411个Φ脉冲，即TSH>5 411T。由此可知，改变时钟频率或增加光积分周期内的时钟脉冲数，就可以改变光积分时间。即通过积分时间控制信号A1，A2，A3控制积分时间的改变；000～111分别控制8档积分时间变换。000时间最短，111时间最长，可以通过软件动态设置积分时间，实现CCD光积分时间的智能控制。部分实现程序如下：
always @ (posedge CLK_20M or negedge RESET)
begin
if(~RESET)
rs_count ＜= 5′h00;//复位信号计数器
else if(rs_count == 5′h13)
rs_count ＜= 5′h00;
else
rs_count ＜= rs_count + 1′b1;
end
always @ (posedge CLK_20M or negedge RESET)
begin
if(~RESET)
RS ＜= 0;
else if(rs_count == 5′h0E)
RS ＜= 1;
else if(rs_count == 5′h13)
RS ＜= 0;
end
编译后最后得到的仿真波形结果如图2所示。
4 结 语
本文实际采用Modelsim开发系统实现编程和测试程序的编写，内部模块采用Verilog 硬件描述语言编写，完成了时序电路的设计和实现，并测试无误后下载到FPGA上，产生CCD驱动，输出结果十分理想。不仅简化了电路设计，提高可靠性，而且提高了研发速度。
参考文献
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论文摘要：当今世界，在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能化开关、光电式互感器等机电一体化设备的出现，变电站自动化技术即将进入数字化新阶段。本文论述了数字化变电站自动化系统的特征、结构及功能划分等。
经过几十年的发展,变电站自动化技术已经达到了一定的水平，在我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班，而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术，从而大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电和电网调度的可能性，降低了变电站建设的总造价，这已经成为不争的事实。然而，技术的发展是没有止境的，随着智能化开关、光电式电流电压互感器、一次运行设备在线状态检测、变电站运行操作培训仿真等技术日趋成熟，以及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，势必对已有
的变电站自动化技术产生深刻的影响，全数字化的变电站自动化系统即将出现。
一数字化变电站自动化系统的特点
(1）智能化的一次设备
通常一次设备被检测的信号回路和被控制的操作驱动回路采用微处理器和光电技术设计，简化了常规机电式继电器及控制回路的结构，数字程控器及数字公共信号网络取代传统的导线连接。换言之，变电站二次回路中常规的继电器及其逻辑回路被可编程序代替，常规的强电模拟信号和控制电缆被光电数字和光纤代替。
(2)网络化的二次设备
变电站内常规的二次设备，如继电保护装置、防误闭锁装置、测量控制装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现常规功能装置重复的I/O现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源其享，常规的功能装置在这里变成了逻辑的功能模块。
(3)自动化的运行管理系统
变电站运行管理自动化系统应包括电力生产运行数据、状态记录统计无纸化；数据信息分层、分流交换自动化；变电站运行发生故障时能即时提供故障分析报告，指出故障原因，提出故障处理意见；系统能自动发出变电站设备检修报告，即常规的变电站设备“定期检修”改变为“状态检修”。
二数字化变电站自动化系统的结构
在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化设备的出现，变电站自动化技术进入了数字化的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的数字化传感器、数字化控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置的I/O部分；而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。
数字化变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC6185A通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。
过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：（1）电力运行实时的电气量检测；（2）运行设备的状态参数检测；（3）操作控制执行与驱动。间隔层设备的主要功能是：（1）汇总本间隔过程层实时数据信息；（2）实施对一次设备保护控制功能；（3）实施本间隔操作闭锁功能；（4）实施操作同期及其他控制功能；（5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制；（6）承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络通信的可靠性。
站控层的主要任务是：（1）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按时登录历史数据库；（2）按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；（3）接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；（4）具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；（5）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能；（6）具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；（7）具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。
三数字化变电站自动化系统中的网络选型
网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换，运算、输出控制命令整个流程快速，简捷，而全数字化的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。
如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任数字化变电站自动化的技术要求。目前以太网（ethernet）异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化OSI七层协议，速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，数字化变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。
四数字化变电站自动化系统发展中的主要问题
在三个层次中，数字化变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。目前研究的主要内容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。国外已有一定的成熟经验，国内的大专院校、科研院所以及有关厂家都投入了相当的人力进行开发研究，并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来，目前主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼容）控制与试验还是薄弱环节。
