時間：2022-02-01 20:17:34
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇光電技術論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
論文摘要：光電子器件和部件廣泛應用于長距離大容量光纖通信、光存儲、光顯示、光互聯、光信息處理、激光加工、激光醫療和軍事武器裝備，預期還會在未來的光計算中發揮重要作用。本文將介紹國內外光電子技術及光電子產業的發展。
如果說微電子技術推動了以計算機、因特網、光纖通信等為代表的信息技術的高速發展，改變了人們的生活方式，使得知識經濟初見端倪，那么隨著信息技術的發展，大容量光纖通信網絡的建設，光電子技術將起到越來越重要的作用。美國商務部指出：“90年代，全世界的光子產業以比微電子產業高得多的速度發展，誰在光電子產業方面取得主動權，誰就將在21世紀的尖端科技較量中奪魁”。日本《呼聲》月刊也有類似的評論：“21世紀具有代表意義的主導產業，第一是光電子產業，第二是信息通信產業，第三是健康和福利產業……”，可以斷言，光電子技術將繼微電子技術之后再次推動人類科學技術的革命。
1世界光電子技術和產業的發展
光纖通信技術的發展速度遠遠超過當初人們的預料，光纖已經成為通信網的重要傳輸媒介，現在世界上大約有60%的通信業務經光纖傳輸，到20世紀末將達到85%，但從目前光纖通信的整體水平來看，仍處于初級階段，光纖通信的巨大潛力還沒有完全開發出來。目前，各種新技術層出不窮，密集波分復用技術（DWDM，在同一根光纖內傳輸多路不同波長的光信號，以提高單根光纖的傳輸能力）、摻鉺光纖放大器技術（EDFA，可將光信號直接放大，具有輸出功率高、噪聲小，增益帶寬等優點）已取得突破性進展并得到廣泛的應用。現在DWDM系統和光傳輸設備中，光電技術的比例將從過去比重不到10%達到90%。一種全新的、無需進行任何光電變換的光波通信——“全光通信”，由于波分復用技術和摻鉺光纖放大器技術的進展，也日趨成熟，將在橫跨太平洋和大西洋的通信系統上首次使用，給全球的通信業帶來蓬勃生機。為此提供支撐的就是半導體光電子器件和部件。光電子器件和技術已形成一個快速增長的、巨大的光電子產業，對國民經濟的發展起著越來越大的作用。美國光電子產業振興協會估計，到2003年，光電子產業的總產值將達2000億美元。
Internet應用的飛速增長對電信骨干網帶寬提出越來越高的需求，為滿足需求的增長，人們可以鋪設更多的光纖，或靠提高單路光的信息運載量（現在主干網可以分別工作在2.5Gbps和10Gbps，并已有40Gbps的演示性設備）。但更主要的方法卻是靠發展波分復用技術，增加光纖內通光的路數（光波分復用的實驗記錄已經達到2.64Tbps）。波分復用技術的普遍運用為光電子器件和部件提供了廣闊的、快速增長的市場。無限戰略公司的報告指出：“信號傳輸用1.31μm和1.55μm激光器市場1999年達到13億美元，比去年增加23%；1.48μm信號放大用激光器1999年市場份額達到1.6億美元，比去年增加33%；980nm信號放大用激光器銷售額達2.9億美元，比去年增長121%。整個激光器市場的份額1999年達18億美元，預期2003年將達到30億美元”。美國通信工業研究公司（CIR）的研究預測，北美市場光電子部件的市場規模將由目前的28億美元增長到2003年的61億美元，約每年增長18.5%。密集波分復用設備銷售額也將從1998年的22億美元增加到2004年的94億美元。報告稱雖然10年內全光通信還不會全面商業化，但是全光交換將在幾年內成為市場主流，報告也指出盡管光學部件市場被大公司所占據，但仍有創新性公司進入的可能。
2我國的光電子技術和產業
近10年來我國光電子技術研究在國家“863”計劃和有關部門的支持下有了突飛猛進的進展，在很多領域同國外先進國家只有兩三年的距離，個別領域還處于世界領先地位。
國內光電子有關產業基地在光電子器件、部件和子系統（如激光器、探測器、光收發模塊、EDFA、無源光器件）等已經占領了國內較大的市場份額，初步具備同國外大公司競爭的能力，在毫無市場保護的情況下，靠自己的力量爭得了一席之地，市場營銷逐年有較大的增長，個別產品還取得國際市場相關產品中的銷量最大的成績。我國相應研究發展基地和本領域高技術公司的許多產品填補了國內相關產品的空白，打破國外產品在市場上的壟斷地位，同時爭取進入國際市場。
摻鉺光纖放大器（EDFA）是高速大容量光纖通信系統必需的關鍵部件，國內企業產品占國內市場40%的份額。我國也是目前國際上少數幾個有能力研制PIC和OEIC的國家。808nm大功率激光器及其泵浦的固體綠光激光器，670nm紅光激光器已產品化和商品化并批量占領國際市場。國內移動通信的光纖直放站所用的光電器件，90%使用國產器件，國產1.55μmDFB激光器戰勝了國外器件，占領了100%的國內市場。
但是，我們應當認識到在我國光電子技術發展中，光電子器件、部件雖是光通信、光顯示、光存儲等高技術產業的關鍵部分，但在整個系統和設備成本中所占的比重較小，其產值較低，目前科研開發主要處于跟蹤和小批量生產階段，光電子產業所需的規模化、產業化生產技術目前還未有實質突破；國內研究生產的光電器件和部件有相當部分還未能滿足整機和系統的要求，導致國外器件占據國內市場相當多的份額；在機制上仍未擺脫科研、生產、市場相互脫離的狀況。
《光電材料導論》是我校無機非金屬材料專業2013年開設的專業課程。開設這門課程的原因是：（1）國家在十二五規劃中提出了重點發展的七大戰略性新興產業，其中之一的的新材料產業包含了功能材料，而光電材料是功能材料的一種；（2）我校的無機非金屬材料教研室的很多老師從事光電材料相關的研究，具備開設這門課程的師資力量。所以在課程的教學內容的選材方面，我們會著重從這兩個方面考慮。而教學方法會利用現在的多媒體技術，與傳統的板書相結合，讓學生更加形象生動的加深對知識的理解[1]。
1 教學內容的選材
在教學內容的選材方面，我們綜合考慮了以下幾個因素：
首先，學生必須能夠有所學，開設一門課程才是有意義的。光電材料是功能材料的一種，為了便于學生循序漸進地吸收理解光電材料的專業知識點，教學內容分成三個方面：光功能材料、電功能材料、光電材料及器件。首先，講解光功能材料和電功能材料方面的知識點，在具有這些知識的基礎上，再講解光電材料及器件方面的知識，學生們就比較容易理解。
其次，我們結合現在的就業情況及研究熱點。我們設置的教學內容，既考慮了學生們以后的就業，也考慮到想進一步深造讀研究生的學生們的研究工作。光功能材料方面的教學內容包含了激光材料、發光材料、紅外材料及光纖材料。電功能材料方面的教學內容包含了導電材料、半導體材料、介電材料、鐵電材料及超導材料，其實半導體材料也是一種導電材料，之所以把半導體材料單獨作為一個章節，是因為半導體材料是太陽能電池和LED照明燈的核心材料，這也是為后面的光電材料及器件的講解做鋪墊。光電材料及器件方面的教學內容包含了光電子發射材料、光電導材料、透明導電薄膜材料、光伏材料與太陽能電池及光電顯示材料。
2 教學方法的探索
光電材料的內容更新很快，現在的學生不僅應該掌握傳統基礎的材料知識，更應該掌握最新的知識點，更應該了解光電材料的最新研究進展，而使用多媒體教學能夠及時地更新課件的內容，使得教學內容能夠跟上最新的研究成果[2]，也能讓學生及時了解學習最新的材料知識。
多媒體教學還有助于激發學生學習的興趣[3]，因為它在視覺上能夠讓學生很直觀的學習知識，比如：太陽能電池的工作原理，我們可以在Powerpoint（PPT）上給出太陽能電池工作原理圖，然后再對照圖給學生詳細講解其原理，學生將更深刻的理解其原理。再比如，在講解光纖的傳輸原理時，可以通過多媒體技術使用動畫，讓學生很直觀地了解光纖的原理。
但是多媒體教學應該和傳統的板書結合起來，因為有些知識僅僅通過多媒體展示，學生可能比較難理解，還需要老師再次將其中的重點和難點板書出來詳細講解，同時也可以加深同學的印象。
同時，我們在整個的教學過程中，采用的是啟發式及提問式的教學方法。通過對學生進行提問，啟發學生自主思考，加深學生對知識點的理解。
3 課程考核方式的選擇
課程考核的成績包含兩個方面，一個是平時成績的考核，一個是期末成績的考核。
平時成績的考核，我們通過上課提問、課后習題、出勤率等方面進行考核。上課提問可以考查學生對上節課內容的掌握程度，還可以考查學生是否認真聽講、是否認真思考問題。課后習題包括兩個方面，一個是對課上內容的考查，幫助學生鞏固課上知識，另一個是對課外知識的拓展，督促學生課后查閱文獻，培養學生的學習能力。
期末成績的考核，我們采用撰寫科技論文的形式進行考核。《光電材料導論》開設在大四上學期，總共24個課時。因為光電材料的內容更新比較快，而教學課時比較有限，通過撰寫科技論文的形式，既可以督促學生去更全面的了解光電材料最新的研究進展，又可以鍛煉學生查閱文獻的能力，培養學生總結文獻的能力，有利于大四學生在下學期更快進入本科畢業論文的工作。
4 需要改進的地方
作為本專業開設的新課，在教學的探索與實踐過程中，肯定存在一些不足，有很多地方需要我們去反省和改進。我們自己對此進行了總結，具體包括以下三個方面：
（1）在多媒體教學過程中，我們不僅只是使用了PPT這個軟件，還應該引入視頻，比如，在講解使用直拉法制備單晶硅時，就可以引入一段視頻，讓學生更直觀地了解使用直拉法是如何制備單晶硅的。
（2）在教學的過程中，我們還應該出示實物，讓學生能夠直接接觸，加深印象。可以出示實物包括光纖、發光二極管LED，單晶硅片和多晶硅片（這時，還可以教學生從宏觀上如何分辨單晶硅片和非晶硅片）、ITO玻璃、閃鋅礦及纖鋅礦結構模型等，不但增強生學習光電材料的興趣，而且讓他們對光電材料實體有直接的感性認識[4]。
（3）在教學過程中，我們還應該加入兩個學時的討論課，老師布置一個題目，讓學生課后準備，幾個學生一組，進行資料搜集與整理，然后讓一個學生做代表，在討論課上做PPT報告，其他組的學生進行提問，作報告的學生做解答。同時這個也要納入平時成績中，占總成績的20%。
關鍵詞：光電編碼器；角加速度觀測器；硬件在回路；加速度反饋控制
中圖分類號：TH113.2 文獻標識碼：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多數以位置和速度為跟蹤目標[1]，文獻[2]中，劉棟良等針對永磁同步電機，利用其定子交軸電流和轉速方程構造觀測器，通過降維線性Luenberger算法實現了電機轉子角速度的估算。文獻[3]中，郭鴻浩等人針對永磁無刷直流電機提出了角加速觀測方法，首先通過構建滑模觀測器觀測反電動勢波形，再設計卡爾曼濾波器從觀測得到的反電動勢歸一化波形中提取位置信息，進而實現對角加速度的估計，但是擴展反電動勢的表達式較為復雜，其大小與轉速、電機電流及微分值有關，魯棒性較差。且對于非電機驅動的軸系，這種依賴電機模型的估計方法也無能為力。工程實踐中，大多數情況下伺服系統旋轉運動為非勻速運動，傳統的角速度觀測算法僅限于處于穩態的恒定角速度觀測，對于動態加減速過程的角速度或均勻變化的角加速度的觀測存在較大誤差，并且機電或液壓等伺服系統由于存在內部和外部的干擾、自身參數的攝動等不確定因素，嚴重影響觀測算法的性能。因此，對于旋轉伺服系統的轉速觀測，基于編碼器的方法更為可靠，中國科學院自動化研究所的秦曉飛等對傳統的M/T測速算法進行了改進[4]，提出一種基于假脈沖剔除的M/T測速算法，能夠消除機械振動引起的位置量化誤差，提高了交流伺服系統的測速性能；北京交通大學的文曉艷等詳細討論了M法和T法在工程實踐中的應用并對其性能做了詳細分析[5]，指出工程應用中應該注意的問題。然而這兩種方法并不適用于對角加速的觀測，目前基于旋轉加速度計的方法測量角加速度存在傳感器價格昂貴或技術指標適用范圍窄等原因[6]，使得其難以應用于角加速度反饋或角速度反饋的控制過程；基于電機模型的觀測器算法估計角速度或角加速度也是一種常用方法[7-10]，大量實驗表明，基于模型觀測器估計算法的加速度反饋控制系統，其控制性能遠遠不及基于加速度傳感器的加速度反饋控制系統，Bramde Jager[11]和Ivan Godler[12]等人分別對此作出了詳細研究。因此基于位置傳感器和觀測算法來有效獲取角速度和角加速度信息是一種折中的選擇。論文采用高階觀測器算法，能夠觀測劇烈變化的轉速，性能優于常規觀測算法，且能夠實現非劇烈變化的角加速度觀測，為加速度反饋魯棒控制提供一種有效方法，最后通過實驗對比驗證了論文提出的加速度觀測算法的跟蹤性能和算法的可實現性。
2 光電編碼器工作原理
光電編碼器是由光源、光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤是在固定直徑的圓盤上等分地開通若干個長方形孔，通過聯軸器的帶動，當光電編碼盤和軸一起旋轉時，光源發光通過透鏡照射到光敏電阻上，經過檢測裝置檢測輸出脈沖信號。結構原理如圖1所示。
光電編碼器的輸出量有模擬量和數字量兩種形式，論文以數字編碼器為例進行研究。數字增量式編碼器直接利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖信號，分別為A相、B相和C相， A相與B相的相位差為90度，C相為每轉一周輸出一個脈沖，用于基準點定位，輸出波形如圖2所示。
編碼器旋轉方向的判斷是通過將A相B相輸出值保存起來，與下一個A相B相輸出值做比較，通過編碼時序就可以判斷出編碼器的旋轉方向，圖2中標示出了輸出波形與編碼器旋轉方向的關系，算法的實現是通過判斷編碼器輸出AB兩相的狀態轉移順序，如圖3所示。
增量式編碼器測量轉角的方法是通過讀取脈沖數的方式計算出旋轉的角度或轉速等參數。而不同規格型號的編碼器光柵碼盤上的光柵線數是不同的，光柵線數決定每周輸出的脈沖數量，即影響測量的精度。采用正交編碼方式可以方便實現倍頻電路設計，提高編碼器測量精度。
3 三階觀測器設計
6 結論
為了適應伺服控制系統中加速度反饋控制方式對角加速度進行觀測的需求，論文提出一種基于增量式光電編碼器和觀測算法相結合的方法，用于觀測角加速度變化規律，并通過半實物仿真平臺進行驗證，觀測效果良好，克服了采用旋轉加速度計價格昂貴和適用范圍小的問題，克服了基于電機模型純算法估計的不準確問題，克服了針對非電機驅動的旋轉伺服系統無法使用估計算法的問題。計算量小，可以應用于實時系統，跟蹤性能好，可以實現角位移，角速度和劇烈變化的角加速度的觀測，滿足伺服系統的控制需求。
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目前，利用太陽能最直接有效的方式便是光伏轉換，即將太陽的光能直接轉換為電能而供人類使用。而目前的光伏產品主要是技術相對成熟的硅太陽能電池，盡管其光電轉換效率很高，但對硅材料的后處理會產生大量廢液，嚴重污染生態環境。長此以往，能源問題還沒解決，環境問題已經產生。怎么辦？中國海洋大學唐群委教授，給出了他的答案：染料敏化太陽能電池。
唐群委，1980年8月生于山東濰坊，歷經山東大學學士、華僑大學博士、法國斯特拉斯堡大學博士后、華僑大學訪問學者、美國南卡羅萊納大學博士后，于2012年正式學成歸來，成為了中國海洋大學材料科學與工程研究院的一名教授，碩士生導師。作為中國海洋大學最年輕的教授之一，唐群委肩負著高效染料敏化太陽能電池開發的重任。
染料敏化太陽能電池，一種模仿光合作用原理研制而成的新型太陽能電池，制作工藝相對簡單，生產成本僅為普通硅太陽能電池的1/4。在整個工作過程中，除電流外，無其他物質釋放。但目前的染料敏化太陽能電池中的光電轉換效率遠低于其理論值，因此，提高染料敏化太陽能電池光電轉換效率就成為唐群委教授及其團隊的主要目標。
唐群委教授長期從事新型材料和化學領域研究，在功能性水凝膠、自組裝導電多層膜、染料敏化太陽能電池等領域取得突出的研究成果，已在Adv Mater，AdvEnergy Mater，Chem Commun，J Materchem等國際權威雜志發表SCI80余篇，申請國家發明專利11項。博士學位論文“導電多層膜的層層自組裝及性能研究”獲得2012年福建省優秀博士學位論文。
年輕且成績驕人。這些光環的背后，是敏銳的洞察力、艱辛的工作和大膽的創新：
――他首次提出“自組裝導電多層膜”的概念并成功發現自組裝導電多層膜的電導率隨組裝層數的滲濾現象，提出了新的導電機理，奠定了自組裝導電多層膜在光電子納米器件中應用的理論基礎。
――首次開發了低鉑、非鉑合金對電極材料，相對于全鉑對電極，對電解質的催化效果提高2～3倍，而成本僅為其1/50。
――開發了雙面同時透射提高染料敏化太陽能電池性能的技術，相對于單面透射，染料敏化太陽能電池的光電轉換效率提高了30%以上。
――針對光陽極中因入射太陽光衰減導致染料激發不完全的難題，設計了一系列具有明顯增透效果的光陽極材料，所制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率提高至11%，達到國際先進水平。
但這僅僅是個開始，唐群委并沒有因已得成績而止步，染料敏化太陽能電池要真正實現產業化，還將面臨一段漫長的考驗。他深切的知道這項技術的發展和應用對于人類的能源危機意味著什么。
英文名稱：Laser Journal
主管單位：重慶市科學技術委員會
主辦單位：重慶市光學機械研究所
出版周期：雙月刊
出版地址：重慶市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：0253-2743
國內刊號：50-1085/TN
郵發代號：78-9
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1975
期刊收錄：
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
中科雙效期刊
聯系方式
區域產業是指在某一特定區域內，生產同類商品或提供同種服務的所有企業的集合，反映的主要是產業空間布局狀況以及由此所決定的區域間橫向經濟關系。生物工程相關產業涵蓋醫藥、食品、檢驗、環保、農業等領域⑤，產業相關集群的形成對于促進地方經濟建設，保障經濟、社會、環境與人的協調發展意義重大。
1．生物工程相關產業在國民經濟中的地位“十一五”以來，國務院批準了《促進生物產業加快發展的若干政策》和《生物產業發展“十一五”規劃》，大力推進生物技術研發和創新成果產業化，生物產業產值以年均22．9％的速度增長。《國務院關于印發生物產業發展規劃的通知》提出，到2015年，生物產業增加值占國內生產總值的比重將比2010年翻一番；到2020年，把生物產業發展成為國民經濟支柱產業。《國家“十二五”科學和技術發展規劃》和《國家“十二五”生物技術發展規劃》明確提出將“研究預防和早期診斷關鍵技術，顯著提高重大疾病診斷和防治能力”作為“人口與健康”重點領域的發展思路之一；將生物制藥技術列為重大支持方向之一；將食品安全列為民生科技示范重點，食品安全檢測產業將成為新型公益類重點資助領域。
2．吉林省生物工程相關產業發展現狀“振興東北老工業基地”、“長吉圖開發開放先導區”、“長春市國家級生物產業基地”等國家和地方的政策性投入，使吉林省生物工程領域產業的發展形成了比較優勢，已擁有長春生物制品研究所、通化東寶等一批大中型生物醫藥企業集團和一大批中小型生物醫藥研發和制藥企業，以及長春迪瑞、長春匯力、長春博德等體外診斷檢測試劑和儀器生產企業。2012年，相關產業整體呈現快速、強勁的發展勢頭，全年醫藥產業實現銷售產值1550億元以上，同比增長34．7％⑥。吉林省工業發展“十二五”規劃提出，在醫藥產業方面，將吉林省建設成為國內外具有重要影響的國家生物藥基地、中藥北藥基地；在醫療儀器設備及器械方面，提升醫療器械行業發展水平，加快補齊醫藥產業發展短板，重點發展多功能激光治療設備、臨床檢驗分析儀器等醫療檢驗儀器。到2015年，全省醫藥工業總產值達到2000億元，年均增長27％⑦。
3．吉林省生物工程相關產業高層次人才相對不足目前，吉林省生物技術制藥產業發展迅速，但企業創新能力薄弱、仿制藥比重較大；高端醫學儀器設備、中端試劑和儀器一體化被國外壟斷。原因之一是企業技術力量十分薄弱，缺少足夠的優秀創新人才，造成核心技術往往依賴引進，受制于人。生物工程產業是高技術產業，通過對相關產業調研發現：（1）生物產業飛速發展導致人才數量缺口加大；（2）產業創新能力提升導致高端人才匱乏；（3）國內外同行業的發展差距導致人才流失嚴重；（4）要突破國外技術壁壘需要生物醫學與機電一體化人才；（5）高技術產業經濟發展對人才實踐能力的要求攀升。因此，吉林省生物工程相關產業創新能力的提升和持續健康發展需要大批高層次實踐創新人才。《國家中長期生物技術人才發展規劃（2010－2020年）》指出，重點培養生物產業高端創新型人才、產業鏈關鍵環節專業人才；鼓勵企業與科研機構、高校聯合建立生物技術人才培養基地；建立人才及人才團隊在企業與科研院所之間流動的暢通渠道。目前，吉林省生物工程專業碩士學位授權單位僅3所，即吉林大學、吉林農業大學、中科院東北地理與農業生態研究所。3所招生單位為吉林省生物工程產業輸送了優秀人才，但在生物、醫學、光學、機電一體化人才培養方面尚不能滿足我省生物工程相關產業發展對人才的需求。
二、長春理工大學對生物工程專業碩士學位研究生培養體系建設的探索
1．多學科交叉融合，凝練專業特色，明確人才培養目標定位長春理工大學堅持生物、醫學、光學、機電等多學科交叉融合的辦學特色，結合吉林省生物醫藥、食品安全檢測工程產業等區域產業發展規劃，形成了生物醫學光機電一體化技術的生物工程優勢學科。涵蓋三個穩定的、特色鮮明的專業方向：（1）生物醫學檢驗工程，以國產化及自主創新的生物醫學檢驗試劑與配套光電檢驗儀器一體化技術為研發目標；（2）醫藥用生物反應器與監測設備工程，側重基因重組藥物的通用載體生物反應器構建與應用技術，以及細胞工廠配套光電顯微光電監控設備的研發；（3）食品安全檢測工程，側重食品中雌激素類、毒素、農藥殘留等污染物快速檢測試劑與配套光電檢測儀器的研發。為吉林省醫藥、衛生、食品、商檢等企事業單位培養具有創新能力的應用復合型高層次人才。
2．優化課程體系，構建雙師型導師隊伍，探索三對接人才培養模式整合教學與實踐優勢，按照專業方向的不同，采用分類培養的指導思想，突出知識背景交叉與能力培養并重的特色，設置了科學合理的課程體系，包括必修課（18學分）、公選課（10學分）、方向選修課（6學分）三個模塊，模塊間遵循“夯實基礎－提高能力－強化應用”的培養規律。教學團隊由企業專家、國外學者和校內教師組成，企業專家講授實踐性較強的課程，國外專家學者主講學科前沿性講座，突出實踐與前沿的兼顧。采取集體培養與個人負責相結合的指導方式，構建雙師型導師隊伍。導師組由具有副教授以上職稱或博士學位的校內教師，和具有高級專業技術職務或具有博士學位的合作單位專家組成。形成一支結構合理、學術思想活躍、教學科研與實踐經驗豐富的教學團隊。以實際項目為主要載體，融通基礎理論教學、前沿技術和實踐教學，構建“學研用”三位一體的人才培養模式。學習方式分為全日制學習方式，學制2．5年；非全日制學習方式，學制3年。培養方式為校企（行）聯合培養，對于全日制學生，1年在校理論學習，半年行（企）業頂崗實踐，1年結合崗位實踐內容完成畢業論文；對于非全日制學生，1年在校理論學習，半年企業頂崗實踐，1．5年結合崗位實踐內容完成畢業論文。實現了人才培養與合作單位、生源層次、業界需求的對接，學校和用人單位的無縫連接。
3．建立校企聯盟，拓展實踐教學基地，全面提升人才實踐創新能力專業學位研究生培養的重點在于實踐和創新能力的培養，企業和行業參與高校專業學位研究生教育是保證專業學位研究生教育質量的重要手段⑧。因此，通過校企合作和優勢互補，建立工程實踐基地，實現研究生聯合培養，已成為提升工程碩士研究生實踐能力的重中之重。長春理工大學與相關企業在聯合攻關、學術交流、學生就業、本科生實習等方面進行合作的基礎上，建立了生物工程專業碩士培養的校企聯盟。目前，與長春生物制品所有限公司、長春迪瑞醫療科技股份有限公司等15家企事業單位簽署了實踐基地合作協議，形成了以吉林省為中心，輻射北京、上海等地的穩定的校外實踐教學基地。此外，校內建設的與該學科直接相關的實踐教學平臺有生命科學基礎實驗中心，吉林省生物檢測工程實驗室和吉林省中藥生物工程二級實驗室2個省級重點實驗室，2個學校參股的集生物醫學光機電一體化研發與生產的高新技術企業。目前，已投入建設經費3000余萬元。校內外實踐基地的建設，為學生提供了充足的實踐機會，使學生在讀期間能參與企業生產、關鍵技術攻關和新產品研發，全面提升了人才的創新實踐能力和就業競爭力。
4．“產學研”聯動，以科研合作為紐帶，保障學位論文的先進性與實用性“產學研”合作教育的本質特征是尋求高等教育自身規律與現實社會對人才需求之間矛盾的解決⑨。通過“產學研”合作教育，實現教學、科研、生產三結合，能更有效地提高辦學水平和人才培養質量，克服高等教育脫離社會實踐需要的傾向，增強其社會適應能力和生存能力⑩。自2000年以來，我校先后與中國藥品生物制品檢定所、中國食品檢驗檢疫研究院、長春生物制品所有限公司、長春百克藥業有限責任公司、長春迪瑞醫療科技股份有限公司、吉林省紫辰光電有限公司等多家企業，聯合完成了國家級、省級和橫向科研項目17項，累積科研經費達2000余萬元。以科研合作為紐帶，將科研項目立項、研發推廣過程與生物工程專業碩士培養相結合，形成了“產學研”聯動模式，增進了學校與企業間的合作交流。學生畢業論文選題結合專業方向、校企聯合攻關項目和企業實際需求，鼓勵原始創新或集成創新。學生在校內和校外導師的共同指導下，掌握了扎實的專業理論基礎和先進的實踐技術手段，具備了綜合運用科學理論和技術方法解決實際工程技術問題的能力，保障了學位論文的先進性與實用性。
關鍵詞：光纖，光交換，FTTH，多模光纖，單模光纖
0.引言
光纖技術發展到現在，已經十分的成熟，應用也先當廣泛，但是還是有很大的發展空間的。本文從它比較有前景的光交換技術以及FTTH兩個大的方面來分別論述一下他們的現狀已經優缺點，最后再介紹一下光纖的種類和選擇光纖的方法。
1.光交換是未來發展的趨勢
光交換是指不經過任何光/電轉換，將輸入端光信號直接交換到任意的光輸出端。光交換是全光網絡的關鍵技術之一。在現代通信網中，全光網是未來寬帶通信網的發展方向。全光網可以克服電子交換在容量上的瓶頸限制；可以大量節省建網成本；可以大大提高網絡的靈活性和可靠性。光交換技術也可以分為光路交換和分組交換。由于技術上的原因，目前還主要是開發光路交換，但今后發展方向將是分組光交換。
光纖只是解決傳輸問題,還需要解決光的交換問題。過去,通信網都是由金屬線纜構成的,傳輸的是電子信號,交換是采用電子交換機。現在,通信網除了用戶末端一小段外,都是光纖,傳輸的是光信號。合理的方法應該采用光交換。但目前,由于目前光開關器件不成熟,只能采用的是“光-電-光”方式來解決光網的交換,即把光信號變成電信號,用電子交換后,再變還光信號。顯然是不合理的辦法,是效串不高和不經濟的。正在開發大容量的光開關,以實現光交換網絡,特別是所謂ASON-自動交換光網絡。
目前市場上看到的光交換，多數是基于光電和光機械的。而基于熱學、液晶、聲學、微光機電技術等光交換機將逐步被研發出來。其中微光機電技術（MEMS）是目前最有前途的一項技術。光交換為IP骨干網的光子化提供了一個非常有競爭力的方案。一方面，通過光交換可以使現有的IP骨干網的協議層次扁平化，更加充分的利用DWDM技術的帶寬潛力；另外一方面，由于光交換網對突發包的數據是完全透明的，不經過任何的光電轉化，從而使光突發交換機能夠真正的實現所謂的T比特級光路由器，徹底消除由于現在的電子瓶頸而導致的帶寬擴展困難。此外，光交換的QoS支持特征也符合下一代 Internet的要求。因此，光交換網絡很有希望取代當前基于ATM/SDH架構和電子路由器的IP骨干網，成為下一代光子化的Internet骨干網。
2.光纖到家庭(FTTH)的發展
FTTH(Fiber To The Home )，顧名思義就是一根光纖直接到家庭。具體說，FTTH是指將光網絡單元(ONU)安裝在住家用戶或企業用戶處，是光接入系列中除FTTD(光纖到桌面)外最靠近用戶的光接入網應用類型。FTTH的顯著技術特點是不但提供更大的帶寬，而且增強了網絡對數據格式、速率、波長和協議的透明性，放寬了對環境條件和供電等要求，簡化了維護和安裝。
FTTH可向用戶提供極豐富的帶寬,所以一直被認為是理想的接入方式,對于實現信息社會有重要作用,還需要大規模推廣和建設。FTTH所需要的光纖是現有已敷光纖的2～3倍。論文參考網。過去由于FTTH成本高,缺少寬帶視頻業務和寬帶內容等原因,使FTTH還未能大力發展,只有少量的試驗。近年來,由于光電子元器件的進步,光收發模塊和光纖的價格大大降低;另外寬帶內容日趨豐富,都加速了FTTH的實用化進程。
FTTH的優勢主要是有5點：第一，它是無源網絡，從局端到用戶，中間基本上可以做到無源；第二，它的帶寬是比較寬的，長距離正好符合運營商的大規模運用方式；第三，因為它是在光纖上承載的業務，所以并沒有什么問題；第四，由于它的帶寬比較寬，支持的協議比較靈活；第五，隨著技術的發展，包括點對點、1.25G和FTTH的方式都制定了比較完善的功能。
發達國家對FTTH的看法不完全相同:美國運行商Verizon和Sprint比較積極,要在10—12年內采用FTTH改造網絡。日本NTT發展FTTH最早, 早在1997 年日本NTT 公司就開始發展FTTH，2000年后由于成本降低而使用戶數量大增；美國在2002 年前后的12 月中FTTH的安裝數量增加了200%以上。
FTTH[遇到的挑戰:現在廣泛采用的ADSL技術尚有一定優勢。與FTTH相比:①價格低廉②利用原有銅線網使工程建設簡單③對于目前影視節目及文件的傳輸ADSL既可滿足需求。這些原因使得FTTH目前大量推廣受制約。
設備成本過高造成投資效益低是阻礙FTTH發展關鍵因素。目前FTTH的設備價格還非常高昂，往往一線售價近1000美元，但在日本和美國等發達國家仍然得到了較好的發展，其原因之一就是其電信運營商可以向用戶收取較高的服務費。據了解，在日本電信運營商向FTTH用戶每月收取5000—6000日元服務費，折合人民幣約400—500元，在美國FTTH用戶每戶每月服務費也約為80—100美元，電信運營商的FTTH網絡一般2—3年可以收回投資，這種投資效益顯然是不錯的。但在中國情況則完全不同。在國內不少城市，由于激烈的市場競爭，ADSL和基于5類線的LAN寬帶接入月使用費已降到50元人民幣以下，個別使用費較高的地區，如深圳，月使用費也只有100元人民幣。基于這種寬帶接入服務的資費水平根本無法支撐FTTH網絡建設和運營，投資回收周期長達10年，這樣的投資效益顯然不可能喚起電信運營商的投資興趣。可見，寬帶接入市場需要的是低成本的FTTH，惟有低成本的FTTH才會有應用和發展的機會，而且也一定會有發展的機會。
光纖本身也有缺點，如質地較脆，機械強度低就是它的致命弱點。稍不注意，就會折斷于光纜外皮當中。而且光纖的接續比較困難，施工人員要有比較好的切斷、連接、分路和耦合技術。
FTTH的解決方案: 目前，FTTH接入技術主要有兩大類：基于無源光網絡（Passive Optical Network—PON）接入技術的EPON和GPON，基于小區有源交換接入（Active Optical Network——AON）的Fiber P2P技術。
P2P方案一一優點:各用戶獨立傳輸互不影響,體制變動靈活;可以采用廉價的低速光電子模塊;傳輸距離長。缺點:需要在用戶區安置1個匯總用戶的有源節點，用以減少用戶直接到局的光纖和管道數量。
PON方案——優點:無源網絡維護簡單，原則上可以節省光電子器件和光纖。缺點:需要采用價格昂貴的高速光電子模塊;需要采用區分用戶距離不同的電子模塊,避免各用戶上行信號互相沖突;傳輸距離受PON分比而縮短;各用戶的下行帶寬互相占用,如果用戶帶寬得不到保證時,不僅要網絡擴容,還需要更換PON和更換用戶模塊來解決。
PON有多種,一般有如下幾種:(1)APON:即ATM-PON,適合ATM交換網絡。(2)BPON:即寬帶的PON。(3)OPON:采用通用幀處理的OFP-PON。(4)EPON:采用以太網技術的PON,0EPON是千兆畢以太網的PON。(5)WDM-PON:采用波分復用來區分用戶的PON,由于用戶與波長有關,使維護不便,在FTTH中很少采用。
近來,由于無線接入技術的迅速發展，可用作WLAN的IEEE802.11g協議,傳輸帶寬可達54Mbps,覆蓋范圍達100米以上,目前已可商用。論文參考網。如果采用無線接入WLAN作用戶的數據傳輸,對于一般用戶其上行數據量不大,IEEES02.11g是可以滿足的。而FTTH主要解決HDTV寬帶視頻的大數據下行傳輸,在需要時也可包含一些下行數據。這就形成“光纖到家庭+無線接入”(FTTH+無線接入)的家庭網絡。這種家庭網絡,如果采用PON方式就特別簡單,因為此PON無上行數據,不需要測距的電子模塊,使得成本大大降低,維護也十分簡單。如果所屬PON的用戶群體被無線城域網WiMAX(1EEE802.16)覆蓋,那么就不需要再建設專用的WLAN。接入網采用無線是趨勢,但無線接入網仍需要密布于用戶附近的光纖網來支撐,與FTTH基本相當。FTTH+無線接入是未來網絡的發展趨勢。
3.光纖的正確選擇和使用
下面談談光纖的正確選擇和使用方法。光纖大類上可分為多模光纖和單模光纖。
多模光纖是指可以傳輸多個光傳導模的光纖。在光纖通信初期，就是使用的就是多模光纖(G.651光纖)，其工作波長在850nm或1300nm，衰減常數分別為<4dB/km和<3dB/km，色散系數分別為<120ps/(nm.km)和<6ps/(nm.km)。由于它的衰耗和色散大，故只能用于短距離通信。但它芯徑大，對于接頭和連接器的要求都不高，使用起來比單模光纖要方便，目前多用于局域網。
單模光纖是指只傳輸一個光傳導模（基模）的光纖。其主要優點是衰減較小，傳輸距離長，傳輸容量大，在長途骨干網、城域網、接入網等場合均有廣泛應用。單模光纖由于只能傳輸基模，它不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，單模光纖的帶寬可達幾十GHz以上。論文參考網。所以單模光纖特別適合用于長距離、大容量的通信系統。隨著光纖制造技術和通信技術的不斷發展，單模光纖的種類也在發展。常用的單模光纖有以下幾種: G.652光纖，G.653光纖，G.655光纖。
選擇光纖時應該注意以下三個參數:①最大無中繼傳輸距離 ②波長的最大比特率 ③光纖的波長數。以上參數都必須考慮到光纖布設終期的要求。如果最大無中繼傳輸距離在50～100km，建議選擇G.652常規光纖，它價格低廉，適合短距離傳輸。如果距離更長，但只需要單波長在10Gbit/s 以上，則可選用G.653色散位移光纖。如果不但距離長，而且需要多波長承載10 Gbit/s 或更高速率，那么最佳選擇則是G.655光纖。
由此可以總結出以下光纖選擇原則:1.距離短應選擇G.652常規光纖,采用較多纖芯所增加的投資不大。2.長距離光纜因為傳輸距離長，必須采用高速率和多波長的波分復用技術，G.655色散位移光纖是最為理想的選擇。
4.結束語
光纖通信技術現已作為一種重要的現代信息傳輸技術之一，在現在的信息社會背景下得到了普遍意義上的應用，在全球通信領域及相關行業在全球處于非常低迷的狀態時，光纖通信技術仍得到了一些發展。依照我國現行的通信技術領域的發展模式，光纖通信技術的應用必會代替一切其他的信息傳送方式，而成為未來通信領域發展的主流技術，帶領人類進入全光時代!
參考文獻
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關鍵詞 教學改革 創新能力 物理 教學內容
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A
0 前言
應用物理學是當今高新技術創新發展的基礎，是多種技術學科的支柱。與本專業存在交叉的專業包括光學、工程物理、半導體和材料專業等。目前，我國對物理專業的人才需求仍舊是供不應求，但表面上卻是學生就業壓力大。對人才培養的需求加上建設創新型國家和國際經濟一體化的大背景，要求將創新教育貫穿于各級各類教育的全過程。本研究將立足于應用物理專業學生創新思維與創新能力的培養。對工科院校物理專業培養目標進行符合市場需求的重新定位，為高等院校物理專業深化教育教學改革提供有益經驗。
1 研究思路
學院本著“理工交融”的辦學特色和“厚基礎、寬口徑、重實踐、求創新”的人才培養模式，著力打造本科生的培養。注重與新科技、新產業以及地方經濟結合安排課程，積極開展大學生素質拓展和科技創新活動，正在走出一條分層次培養、適應社會需求的人才培養道路。
2 改革的內容
（1）改革培養方案，優化課程結構，多元化設置培養方向。學院將應用物理專業發展為應用物理、材料物理、光電信息科學與工程三個專業，完成人才培養方案修訂，并組織實施。并在實踐中進一步修改，使之逐步趨于完善；優化課程結構，按照“少而精”的原則設置必修課；增加選修課比重，允許學生跨系跨專業選修課程，使學生依托一個專業，著眼于綜合性較強的跨學科訓練；分層次設置課程，盡量做到因材擇課，興趣與學習結合。
（2）改革課堂教學，優化教學形式，把創新能力培育納入課堂中。學生的創新精神和創新能力的培養也必須滲透到各科課堂教學過程中。多門主干課實施教學模式改革，把創新能力培育納入課堂中。其中，電磁學、熱學、近代物理等課程改革獲得學校教學成果一等獎，光電子學基礎等課程改革獲得校教改立項并通過鑒定，原子物理學獲得校精品課程。大學物理獲得省級精品課程。用多樣的課堂教學形式，加強各學科的相互滲透和交叉綜合，拓寬學生的思維空間，注意融合學科前沿知識和高新科技，增大課堂信息量，激發學生的創新精神。
（3）實行實驗課分層次立體化教學模式，探索開放式實驗教學體系。改革實驗室管理運行機制，探索和完善實施開放式實驗教學的方法及其在課堂教學、實驗技能競賽、創新實驗設計競賽、本科生畢業設計（論文）中的應用。學生實踐創新能力得到了培養和提高。建成了河南省物理實驗示范中心、洛陽市光電功能材料重點實驗室。
（4）改革和完善學生科技創新體系，建立校內創新實踐基地。實行學生科學研究訓練計劃，引導學生在教師的指導下進行科研訓練；鼓勵學生申報大學生科研訓練計劃，科技創新項目等，通過科研促進教學，提高學生的科學素質，培養學生的科學精神。
（5）建立和拓展校企聯合培養模式，建立校外實踐基地，打造人才培養的新模式。建立和拓展校企聯合培養的模式，促進本科教育與社會對人才需求的接軌，提升學生就業能力，打造人才培養的新模式。和洛陽凱邁測控、四季沐歌等與物理專業緊密結合的企業建立聯合培養的模式，提高學生實踐能力，培養為區域經濟服務的實用型人才。
3 初步成果和效果
通過四年的改革，取得了令人滿意的效果。
（1）形成新的利于學生創新能力培養的物理專業整體培養方案和人才培養模式，建立系統的大學生創新能力培養體系。建立和完善分層次開放式實驗教學體系和新的實驗室管理運作模式。建設物理實驗教學示范中心開放式實驗教學管理網站。發表教研論文12篇，舉辦全國高等學校“熱力學與統計物理”教學與學術研討會。
（2）學生學習研究的主動性、積極性、創新性明顯提高。課外創新實踐產生了高質量成果。獲得河南省級“挑戰杯”，河南省機器人游大賽，中國機器人大賽，全國大學生數學建模，全國大學生英語競賽等比賽的二十余項獎項；學生申報或授權專利15項；參加SRTP項目40項；學生發表實驗研究論文23篇。
（3）開辟適應地方高校物理專業的校企聯合培養模式，與洛陽開拓者鉬業、洛陽鼎晶電子材料有限公司、洛陽嘉盛電源科技有限公司、洛陽金諾機械工程有限公司先后簽訂校企合作協議，建立一系列的實習基地，實施“預簽式” 培養辦學模式。
（4）通過教研結合，學生創新能力培養和科學技術研究相互促進，教師實驗科學研究成果顯著。物理工程學院五個科研團隊（光電功能材料、材料物性分析與模擬計算、光電信息及其圖像處理、微納結構與信息光學團隊、光納半導體與傳感材料），共近200篇，其中SCI收錄94篇，EI/ISTP收錄42篇；主持項目47項，其中國家級項目21項，省廳級項目26項；申請發明專利40余項。
4 結束語
本研究對全國同類高校的理工科專業學生創新能力的培養可起到一定借鑒作用。當然，應用物理專業的辦學需要研究的課題還很多，還需要在以后實踐中進一步探索。
本研究得到河南省高等教育教學改革研究項目（2012 SJGLX149，2014SJGLX197）
參考文獻
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關鍵詞：STM32F103，數據采集，數據通信
仿真駕駛模擬器是機械、電子及計算機技術為一體的復雜系統，該系統由駕駛室與電動伺服裝置組成的仿真駕駛單元，計算機、投影機和環形幕組成顯示單元及駕駛數據采集模塊單元組成。仿真駕駛模擬器除可進行模擬駕駛訓練外，還具有汽車駕駛技能形成性評價、個性化培訓計劃、交通事故經典案例教學、駕駛案例性測評等的汽車駕駛應用培訓教學。論文格式。論文格式。其中數據采集單元實時采集仿真駕駛室內的各操縱機構狀態，并將采集到的數據經串口傳送到上位機，上位機通過汽車動力學模型及當前路況信息計算出當前速度、加速度、方向、位置等信息作為計算機實時生成圖象和控制電動伺服缸動作依據，同時依據采集到的數據完成對駕駛行為過程回放、行為分析、技能等綜合評估。
1數據采集系統總體設計
如圖1所示，數據采集系統主要由各檢測模塊及檢測電路、單片機、采集芯片、通信接口和上位機組成。其中采集芯片是系統的核心部件，采用ARM核心的STM32F103芯片，采集芯片控制系統的變速器、轉向盤、加速踏板及各種開關等的位置狀態，包括對數據進行采集、存取、時間參數設置與主機通信等。時鐘信號也是由采集芯片產生，定時對采集芯片機產生復位信號，使主單片機完成一次數據采集，然后又進入休眠狀態。其中轉向裝置采用光電編碼器和現場可編程邏輯正列（FPEG）組成數字式傳感器，通過RS232與STM32通信。
數據采集系統在工作時，對模擬數據首先要通過放大器對信號進行處理后傳送到STM32F103的ADC模塊轉化為數字信號，對開關量和數字傳感器信號通過I/O或通信接口傳送到STM32F103，最后采集來的信號按照一定的通信協議發送到上位機處理。
圖1 汽車模擬器數據采集系統總體設計
2 硬件設計
仿真駕駛室內的需要檢測各種模擬裝置的信號。這些狀態根據采用的傳感器可分為三類：數字量、模擬量和開關量。
2.1 模擬量的采集
加速踏板、離合器踏板和行車制動踏板（三踏板）的踏板行程分別反映供油量大小、離合器結合程度及制動力大小，所以傳感器應采集出的是連續變化的量，即是模擬量。模擬量的采集要去抗干擾能力強，在設計中選擇了線性位移傳感器與三踏板的機械連接組成。線性位移傳感器的阻值變化特性為直線型，能夠準確反映三踏板行程的大小。
STM32 核心為CORTEX-M3，內部集成了2個1Msps12bit的獨立ADC，2個ADC前端由兩個多路切換器組成16路的模擬輸入通道，并將每個模擬輸入通道的結果存入對應的16個A/D轉換數據寄存器（ADDR）中。并且內部高達 72MHZ的主頻，高達1.25DMIPS/MHZ的處理速度，ADC最高速采樣的時候需要1.5+12.5個ADC周期，高速的DMA傳輸功能，靈活強大的4個TIMER等。加速踏板、離合器踏板和行車制動踏板模擬信號經多路模擬開關和信號調理電路經相應的控制電路與ADC0、ADC1和ADC2三個模擬通道相連，完成對信號的采樣與轉換。
2.2 開關量采集
模擬的操作有大量的開關量信號。組合開關、點火開關等采用EQ153型實車開關來實現仿真駕駛的開關操作功能，在實車開關上都有微動開關，主芯片可通過光電隔離器與微動開關相連，提取開關量，并轉換為標準邏輯電平進行處理。變速器采集模塊采用兩個PCB電路板構成變速器模擬裝置，一個PCB電路板裝有4對發光二極管和光敏三極管，一對放光二極管和光敏三極管構成一路采集，固定于變速器外殼內與機械結合采集檔位桿操作動作，變速器采集模塊與主控板I/O采集接口連接，當有檔位使能動作時，主控單片機要實時采集到變速器的使能動作。手制動采集模塊選用行程開關模擬，采集手制動動作，行程開關安裝于手制動控制桿底側，手制動采集模塊接線端子與主控板I/O接口連接，主控板能實時采集到手制動操作使能。
2.3轉向盤關電編碼設計
轉向盤度采集模塊采集轉向盤的旋轉的角度、方向。考慮在實際駕駛中轉向盤要求有一定的間隙，在采集時，采集精度要低，所以選用了以光電編碼為原理的碼盤檢測機構與轉向盤的轉向立柱連接用于模擬轉向裝置，光電編碼為750個脈沖/圈，將轉向盤的角位移轉換為電脈沖輸出。光電編碼單獨采用現場可編程邏輯陣列(FPGA)數據處理，FPGA不僅具有高精度的同步傳輸能力，而且具有速度高、體積小、抗干擾能力強的優點。如圖2所示，由光電編碼器輸出的A相、B相和Z相脈沖信號經光電耦合器抑制傳輸過程中的高頻噪聲信號后送入FPGA處理器，在FPGA中按照倍頻和鑒別方向設置等進行計數處理，得到實時脈沖數，最后通過RS232與采集芯片通信，并傳輸到主控芯片STM32F103。
圖2 轉向盤光電編碼硬件設計
2.3 與主機的通信接口
由于數據采集單元與上位機的主控室距離較長，所以采用傳輸距離可達1000多米，傳輸速率10Mbs的RS485總線通信標準。通信接口芯片采用Sipex公司的SP3075E芯片，接口設計如圖3所示。論文格式。
圖3 通信接口連接圖
3軟件設計
模擬器數據采集系統在數據采集過程中，應完成多路模擬信號的采集和轉換，在上位機指令下將采集到的數據按一定的通信協議向上位機發送，并根據上位機下傳的各種輸出信號直行相應的操作并開始下一次數據采集，將采集的數據儲存在采集系統的存儲器中，等待上位機的上傳指令。按照采集任務，主程序可分為多路AD轉換模塊、RS485通信模塊和中斷服務程序模塊，軟件流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
3.1 AD信號采集程序片段及注釋
ADC1->CR2.B.ADON = 1; //開啟ADC
ADC1->SMPR1.W= 0; //設置每個通道的采樣時間
ADC1->SQR1.W= 0; //設置序列轉換長度和通道
ADC1->CR1.B.SCAN= 1; //掃描模式開啟
ADC1->SQR1.B.L= 5; //轉換長度為6
ADC1->CR2.B.DMA= 1; //使用DMA
ADC1->CR2.B.EXTTRIG= 1; //使用外部觸發信號
ADC1->CR2.B.CAL= 1; //開始ADC校準
3.2通信接口程序片段及注釋
與上位機的通信模塊使用了兩個中斷，分別用于接收和發送中斷。通信模塊中還需設置破特率BRR。
USART1->BRR.W= UARTclk/Bud; //設置波特率
USART1->CR1.B.UE= 1; //使能UART1模塊
USART1->CR1.B.TE= 1; //使能UART1模塊發送功能
USART1->CR1.B.RE= 1; //使能UART1模塊接收功以
USART1->CR3.B.DMAT= 1; //發送使用DMA方式
USART1->CR1.B.TCIE= 0; //禁止UART1模塊發送完成中斷
USART1->CR1.B.RXNEIE= 1; //使能UART1模塊接收中斷
NVIC->ISER2.B.UART1= 1; //使能UART1的中斷
NVIC->ISER1.B.DMA1_CH4= 1; //使能DMA結束中斷
4 結束語
本文闡述了汽車仿真駕駛模擬器數據采集系統的設計，經實踐表明，STM32主控芯片具有強大的數據運算和處理能力，保證了汽車仿真模擬駕駛器數據采集系統能夠以高精度和高準確度工作，完成對模擬器數據的采集。
參考文獻：
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[3]張志勇.數據采集系統硬件設計與實現[J].應用能源技術,2009,10:36-38.
關鍵詞：CCD器件；時序電路；驅動；光積分時間
中圖分類號：TP333.5+3文獻標識碼：B
文章編號：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
電荷耦合器件(Charge Coupled Devices,CCD)是一種圖像傳感器，它在工業、計算機圖像處理、軍事等方面都得到廣泛的應用。目前CCD的應用技術已成為集光學、電子學、精密機械與計算機技術為一體的綜合技術，在現代光子學、光電檢測技術和現代測試技術領域中起到了相當大的作用。因此，CCD的作用是不可估量的。然而，CCD要正常工作是要驅動時序的，雖然有些CCD往往自帶驅動，但是在特殊需要或需要加特殊功能時，CCD驅動往往需要自己設計，例如曝光時間可調等功能。
現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA）是在PAL,GAL,EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。
由于FPGA具有易修改，在線編程等特點，可根據不同要求進行在線配置，從而升級方便。另外由于FPGA集成度高，可將系統的部分或全部功能集成在一片芯片上，可減小系統硬件復雜度。
2 CCD工作原理和特性參數
TCD1500C是一種高靈敏度、低暗電流、5 340像元的線陣CCD圖像傳感器，其像敏單元大小是7 μm×7 μm×7 μm;相鄰像元中心距也是7 μm;像元總長是37.38 mm。其驅動時序圖如圖1所示。TCD1500C在驅動脈沖作用下開始工作。
由圖1可知，CCD的一個工作周期分為兩個階段：光積分階段和電荷轉移階段。在光積分階段，SH為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發生電荷轉移現象。存儲柵和模擬移位寄存器分別工作，存儲柵進行光積分，模擬移位寄存器則在驅動脈沖的作用下串行地向輸出端轉移信號電荷，再由SP進行采樣和保持，最后由OS端分別輸出。RS信號清除寄存器中的殘余電荷。在電荷轉移階段SH為高電平，存儲柵和模擬移位寄存器之間導通，實現感光陣列光積分所得的光生電荷勢阱中，此時，輸出脈沖停止工作，輸出端沒有有效電荷輸出。由于結構上的安排，OS先輸出13個虛設像元信號，再輸出45個啞元像元，然后再輸出5 340個有效像元信號，之后再是12個啞元信號，輸出1個奇偶檢測信號，以后便是空驅動(空驅動的數目可以是任意的)。
2 芯片的選擇以及設計平臺概述
FPGA選擇的是ALTERA公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4，他是一款典型在線可編程FPGA器件。
設計選擇的平臺主要是Modelsim。Modelsim仿真工具是Model公司開發的，它支持Verilog DHL,VHDL以及他們的混合仿真，可以將整個程序分布執行，使設計者直接看到它的程序下一步要執行的語句，而且在程序執行的任何步驟任何時刻都可以查看任意變量的當前值，可以在Dataflow窗口查看某一單元或模塊的輸入輸出的連續變化等，比Quartus自帶的仿真器功能強大的多，是目前業界最通用的仿真器之一。仿真都正確無誤后再用Quartus Ⅱ軟件來綜合和下片。本程序采用Verilog硬件描述語言編寫，其可移植性和可讀性都好。
3 CCD驅動時序的設計和實現
由圖1所示，其設計方法是：在系統最佳工作頻率下，通過基本計數單元產生CCD工作所需的波形，保證CCD正常工作。根據TCD1500C的技術手冊，可以看出時鐘Φ為典型值0.5 MHz時，占空比為1∶1；輸出復位脈沖ΦRS為1 MHz，占空比為1∶3，采樣保持脈沖ΦSP=1 MHz，脈沖寬度為100 ns。根據所給出的時序關系圖可以得到轉移脈沖ΦSH，時鐘Φ，復位脈沖RS，采樣保持脈沖SP等控制信號的時序圖。由于1個ΦSH周期中至少要有5 411個Φ脈沖，即TSH>5 411T。由此可知，改變時鐘頻率或增加光積分周期內的時鐘脈沖數，就可以改變光積分時間。即通過積分時間控制信號A1，A2，A3控制積分時間的改變；000～111分別控制8檔積分時間變換。000時間最短，111時間最長，可以通過軟件動態設置積分時間，實現CCD光積分時間的智能控制。部分實現程序如下：
always @ (posedge CLK_20M or negedge RESET)
begin
if(~RESET)
rs_count ＜= 5′h00;//復位信號計數器
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
編譯后最后得到的仿真波形結果如圖2所示。
4 結 語
本文實際采用Modelsim開發系統實現編程和測試程序的編寫，內部模塊采用Verilog 硬件描述語言編寫，完成了時序電路的設計和實現，并測試無誤后下載到FPGA上，產生CCD驅動，輸出結果十分理想。不僅簡化了電路設計，提高可靠性，而且提高了研發速度。
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論文摘要：當今世界，在變電站自動化領域中，智能化電氣的發展，特別是智能化開關、光電式互感器等機電一體化設備的出現，變電站自動化技術即將進入數字化新階段。本文論述了數字化變電站自動化系統的特征、結構及功能劃分等。
經過幾十年的發展,變電站自動化技術已經達到了一定的水平，在我國城鄉電網改造與建設中不僅中低壓變電站采用了自動化技術實現無人值班，而且在220kV及以上的超高壓變電站建設中也大量采用自動化新技術，從而大大提高了電網建設的現代化水平，增強了輸配電和電網調度的可能性，降低了變電站建設的總造價，這已經成為不爭的事實。然而，技術的發展是沒有止境的，隨著智能化開關、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線狀態檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術日趨成熟，以及計算機高速網絡在實時系統中的開發應用，勢必對已有
的變電站自動化技術產生深刻的影響，全數字化的變電站自動化系統即將出現。
一數字化變電站自動化系統的特點
(1）智能化的一次設備
通常一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，簡化了常規機電式繼電器及控制回路的結構，數字程控器及數字公共信號網絡取代傳統的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規的強電模擬信號和控制電纜被光電數字和光纖代替。
(2)網絡化的二次設備
變電站內常規的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發展中的在線狀態檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網絡通信，二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O現場接口，通過網絡真正實現數據共享、資源其享，常規的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。
(3)自動化的運行管理系統
變電站運行管理自動化系統應包括電力生產運行數據、狀態記錄統計無紙化；數據信息分層、分流交換自動化；變電站運行發生故障時能即時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意見；系統能自動發出變電站設備檢修報告，即常規的變電站設備“定期檢修”改變為“狀態檢修”。
二數字化變電站自動化系統的結構
在變電站自動化領域中，智能化電氣的發展，特別是智能開關、光電式互感器機電一體化設備的出現，變電站自動化技術進入了數字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元，如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設備的一部分。反言之，智能化一次設備的數字化傳感器、數字化控制回路代替了常規繼電保護裝置、測控等裝置的I/O部分；而在中低壓變電站則將保護、監控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關柜上，實現了變電站機電一體化設計。
數字化變電站自動化系統的結構在物理上可分為兩類，即智能化的一次設備和網絡化的二次設備；在邏輯結構上可分為三個層次，根據IEC6185A通信協議草案定義，這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。
過程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：（1）電力運行實時的電氣量檢測；（2）運行設備的狀態參數檢測；（3）操作控制執行與驅動。間隔層設備的主要功能是：（1）匯總本間隔過程層實時數據信息；（2）實施對一次設備保護控制功能；（3）實施本間隔操作閉鎖功能；（4）實施操作同期及其他控制功能；（5）對數據采集、統計運算及控制命令的發出具有優先級別的控制；（6）承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。必要時，上下網絡接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網絡通信的可靠性。
站控層的主要任務是：（1）通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按時登錄歷史數據庫；（2）按既定規約將有關數據信息送向調度或控制中心；（3）接收調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執行；（4）具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；（5）具有（或備有）站內當地監控，人機聯系功能，如顯示、操作、打印、報警，甚至圖像，聲音等多媒體功能；（6）具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態，在線修改參數的功能；（7）具有（或備有）變電站故障自動分析和操作培訓功能。
三數字化變電站自動化系統中的網絡選型
網絡系統是數字化變電站自動化系統的命脈，它的可靠性與信息傳輸的快速性決定了系統的可用性。常規變電站自動化系統中單套保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的，使得同步采樣、A/D轉換，運算、輸出控制命令整個流程快速，簡捷，而全數字化的系統中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網絡上多個CPU協同完成的，如何控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出是一個復雜問題，其最基本的條件是網絡的適應性，關鍵技術是網絡通信速度的提高和合適的通信協議的制定。
如果采用通常的現場總線技術可能不能勝任數字化變電站自動化的技術要求。目前以太網（ethernet）異軍突起，已經進入工業自動化過程控制領域，固化OSI七層協議，速率達到100MHz的嵌入式以太網控制與接口芯片已大量出現，數字化變電站自動化系統的兩級網絡全部采用100MHz以太網技術是可行的。
四數字化變電站自動化系統發展中的主要問題
在三個層次中，數字化變電站自動化系統的研究正在自下而上逐步發展。目前研究的主要內容集中在過程層方面，諸如智能化開關設備、光電互感器、狀態檢測等技術與設備的研究開發。國外已有一定的成熟經驗，國內的大專院校、科研院所以及有關廠家都投入了相當的人力進行開發研究，并且在某些方面取得了實質性的進展。但歸納起來，目前主要存在的問題是：（1）研究開發過程中專業協作需要加強，比如智能化電器的研究至少存在機、電、光三個專業協同攻關；（2）材料器件方面的缺陷及改進；（3）試驗設備、測試方法、檢驗標準，特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是薄弱環節。
