《光电系统设计B》课赛结合总结报告

严学文，张稳稳

1、课赛结合背景和前期准备

《光电系统设计B》课程原本以51单片机为处理器，设计浊度仪、光功率计、多模激光光源、光电控制系统、虚拟仪器等八个模块，每年选择四个智能硬件作为教学内容，教学内容比较陈旧，和就业市场需求脱节。教学方式为老师主讲，学生按实验指导书完成实验，学生积极性不足，作品创新性不够，无法有效培养学生解决工程问题的能力。

2021年1月 1日-2021年8月31日，教学团队在西电、浙大、苏州大学等地调研，讨论确定《光电系统设计B》教学方式和内容改革方案。团队参加了ST公司多次“TTT”师资培训，获证书如下：

 

图1：严学文师资培训证书

在2020年的教学改革中，团队编写完成实验指导书，将智能硬件和仪器仪表的教学内容，从51换成STM32F7，在全国率先采用STM32F7平台和TOUCHGFX+cubeMX可视化开发方式，应用C和C++联合编程，设计出多种嵌入式仪表和智能硬件，并首次使用“课赛结合”方式教学，激发了学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果。

2、课赛结合方案教学现场情况

 2.1 课赛结合教学方案

    选取“基于touchGFX和全彩触摸屏的光功率计设计”作为比赛内容，要求每组同学（3-4人），均完成人机交互程序编写、信号调理电路设计和焊接、壳体设计和开口、电源部分组装、系统组装测试全过程，交付一台成品的光功率计，并分组答辩，讲述自己作品的设计方案和心得。

2.1.1课赛结合目的

（1）掌握光功率计系统原理，各部分功能，系统调试方法。

（2）掌握一种便携式仪器仪表的信号调理、电源设计、壳体结构设计和焊接、组装、校准、调试方法，全面体验仪器仪表和智能硬件的设计流程，提升工程实践能力。

2.1.2课赛结合内容

（1）将“实验二”编写的光功率计程序移植到STM32F469-DISCO开发板。

（2）焊接信号调理电路，将开关、电源、开发板和调理电路组装到壳体，完成硬件装配。

（3）光功率计校准，程序改进，提高测试精度。

（4）系统测试，计算测量误差。

2.1.3基于STM32F469-DISCO的程序移植

本部分内容，留待学生自行完成，具体程序编写移植，可完全参照“实验二”完成。不同之处是在新建工程的时候，选择的应用模板为“STM32F469I-DISCO”型号。另外，参考开发板的电路图和芯片数据手册，注意AD输入管脚的配置。开发板接口电路与如下所示：

 

图2开发板底座接口电路图

2.1.4信号调理电路设计、焊接

2.1.4.1元器件清单和所需工具

表1 光功率计元器件清单列表

主要器件均可在淘宝购买，组装时需要斜口钳、剥线钳、烙铁工具、电钻、壳体开口工具。

2.1.4.2信号调理电路系统组成

信号调理电路的作用，是将光电二极管信号放大，以供单片机AD采样。在本书“实验二 2.1.2光功率计原理”小节中，有对于信号调理电路的详细介绍，读者可以先行查看。由于光功率计信号动态范围比较大，市面上所售的中高端光功率计一般采用模拟开关设计了程控放大电路，单片机自动根据不同信号大小选择不同放大倍数。

为方便大家在规定时间完成组装调试，本次实验将信号调理电路简化，取消程控放大部分，采用单运放电路，放大增益为1+Rf/R1，电路如下所示。推荐 R1=1K，R2=1K，Rf=10k 。

 

图3 信号调理电路

（1）芯片OPA2340PA简介

OPA340系列轨到轨CMOS运算放大器针对低电压、单电源工作进行了优化，其输入和输出以及高速性能，使其成为驱动采样模数(A/D)转换器的理想选择。该芯片还非常适合通用和音频应用，以及在数模(D/A)转换器的输出端提供I/V转换。单通道、双通道和四通道版本具有相同的设计灵活性规范。

OPA2340PA系列采用低至2.5V的单电源供电,提供出色的动态响应( BW =5.5 MHz ，SR=6V1us)，静态电流极低，双通道设计具有完全独立的电路，可实现最低串扰和无交互。

 

图4 OPA2340管脚定义

(2) 焊接信号调理板接口

本实验要将信号调理电路焊接到万用板（洞洞板）上，并通过插针接口，将信号调理板扣在STM32F469开发板反面的2.54 mm 母座接口。读者先使用钢锯或者电锯，将将万用板裁减成以下尺寸，以便在壳体里面组装。

 

图5 信号调理板尺寸

   信号调理板通过一个插针给开发板的AD输入管脚提供调理后的模拟信号，其供电来自于开发板接口母座。所以信号调理板需要三根插针管脚与开发板连接，分别用于光电转换模拟信号输出、5伏电源（VCC和GND）输入。为牢固固定，信号调理板可以增加一根固定插针，共四根焊接到如下图的万用板上面。

注意：焊接前，请先核对万用板四根管脚位置，是否和开发板的相应母座能适配。

 

根据开发板的接口原理图4-2-1，信号调理板与开发板母板接口对应关系如下图所示。

 

图6信号调理电路与开发板接口对应图

 

图7 信号调理电路接口反面

(3) 运算放大器焊接

将运放芯片插到如下图的位置进行焊接，并将信号输出端OUT(管脚1),通过导线焊接到信号调理板相应的接口管脚。

注意：走线的时候做到横平竖直，尽量不走斜线，导线要长度合适，并与万用板紧贴。

 

图8 运放焊接图

(4) 反馈电阻焊接

将反馈电阻Rf焊接到万用板，并用导线分别连接运放芯片的1、2管脚,如下图所示：

 

图9 反馈电阻焊接图

 

(5) 地线焊接

将调理板GND接口和运放芯片的GND（管脚4）相连，如下图所示：

 

图10 地线焊接焊接图

(6) 电阻 R1 焊接

将电阻R1通过运放芯片的管脚2焊接到GND上，如下图所示：

 

图11 R1焊接图

(7) 光电二极管焊接

将光电二极管及保护二极管的限流电阻R2焊接到洞洞板上，如下图所示：

 

图12 光电二极管焊接图

焊接注意：

1、光电接收管有三个管脚分别为P、N、case管脚，因case是用于导走光电接收管壳体电荷，故将它与N管脚和GND焊接在一起。

2、光电接收管的在万用板的位置请提前和壳体开口位置核对确认，否则焊接之后二极管可能与壳体不匹配。              

(8) 信号调理板修整

查看调理板，背面焊锡突出部分，用斜口钳将其钳掉使其整齐美观。

 

图13 调理板修整图

2.1.5电源、开关、壳体装配

本实验采用可充电锂电池供电，电源模块、开关、仪器壳体如下图所示。所有元器件可以通过淘宝采购获得，清单和采购网址见附件。

 

图14 电源模块、开关和电池

 

图15壳体正面

 

图16壳体左侧面

 

图17壳体前侧面

 

图18壳体背面

（1）打开壳体，在壳体背面打孔，上安装螺丝和螺柱，安装电池和电源模块，然后在壳体侧面合适的位置上开口，将电源模块的USB接口露出，方便充电，如下图所示：

 

图19电源安装图

 

图20固定电池座板的螺丝开孔位置图

（3）通过在壳体上合适的位置开孔和上螺丝，安装开关和STM32F429开发板、信号调理板，然后将开关串联在电源线负极上。如下图所示：

 

图21固定开发板的螺丝开孔位置图

 

 

图22仪表内部安装图

（2）装上壳体前盖和侧板，给触摸屏面板开口，贴上仪器面板，光功率计组装完成，如下图所示。

 

图23光功率计正面图及触摸屏开口尺寸

 

图24光功率计侧面（光电二极管接口）图

 

图25光功率计侧面开关开口尺寸图

 

 

图26光功率计侧面开关安装图

 

图27光功率计背面图

 

图28光功率计USB充电接口开口尺寸图

2.1.6系统校准和测试

打开开关，给光功率计上电，如下图所示。

 

图29光功率计开机界图

将多模激光器输出的光纤接口，接到光功率计的光电二极管输入接口，调节光源分别输出1310nm、1550nm波长的激光，并调节输出频率为270Hz,1000Hz,2000Hz，进行测试，记录光功率计各项AD转换的电压。

 

图30系统测试图

使用实验室标准光功率计进行重新测试，记录各种波长和频率情况下标准光功率数据的值，计算标准光功率和所测电压之间的比例系数，更新程序，重新下载一次，校准完成。

最后再次开机，重新使用光源，调节不同频率和波长的激光输出，再次测试一次，记录测得的各项光功率的值，与光功率标准值比对，计算测量误差。

如果误差较大，读者可以修改程序，采用多次测量取平均值、中值滤波等方式，提高测试精度和稳定性。

至此，该型光功率计设计完成。

 

 2.2课赛结合教学现场

 

 

图31：西邮大四学生《光电系统设计B》智能硬件装配现场图

 

图32：《光电系统设计B》实验指导书

 

 

图33：西邮课程设计现场：光功率计现场组装图1

 

图34：西邮课程设计现场：光功率计现场组装图2

 

图35：西邮课程设计现场：光功率计现场组装图3

 

 

图36：西邮课赛结合答辩现场图1

 

 

图37：西邮课赛结合答辩现场图1

 

 

 

图38：西邮大四学生《光电系统设计B》作品1：光功率计

 

 

图39：西邮大四学生《光电系统设计B》作品2：光功率计

 

 

图40：西邮大四学生《光电系统设计B》作品3：光功率计

3、课赛结合有益效果

在该课程建设的过程中，得到意法半导体公司的支持，并派技术专家孙龙凯和大学计划负责人韩雪一行来欧洲杯官网观摩了教学现场，指导光电专业学生设计的部分智能硬件作品。

 

图41：ST专家对课赛结合效果进行考察和交流

孙龙凯和韩雪指出，欧洲杯官网试点的《光电系统设计B》课赛结合教改项目，是基于该公司前期提供的TouchGFX软件和STM32F769开发套件完成，采用这种最新的可视化开发工具进行教学，教学方式上采用“课赛结合”方式，极大的激发了学生的学习兴趣和创造性，在较短的教学周期内就取得了令人满意的教学效果，为后续双方深入开展合作奠定了坚实的基础，并建议时机成熟可将该课程成果在全国加以推广。

由于课赛结合教改的良好效果，在2020年教育部产学研协同育人计划中，意法半导体公司对本教学团队申报的“西邮welcome欧洲杯官网嵌入式系列课程实践基地建设 ”、“基于TOUCHGFX的嵌入式课程设计体系改革（智能硬件方向） ”等三项教改项目，全部予以通过支持，在全国所有高校中位居前列。