PSoC在光纖陀螺脈沖輸出采集中的應(yīng)用

胡志潔，張志文

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

陀螺儀是一種測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)的裝置。以陀螺儀為核心的慣性測(cè)量系統(tǒng)在飛行器控制與制導(dǎo)，空中、海上和陸上導(dǎo)航/定位中都起著至關(guān)重要的作用。作為新型陀螺，光纖陀螺得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。光纖陀螺（FOG）是利用光纖構(gòu)成的一種環(huán)狀干涉儀，屬純光學(xué)、靜止型陀螺，通過薩格奈克（Sagnac）效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度的檢測(cè)[1]。

由于光纖陀螺突出的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用背景，光纖陀螺將在慣性元件領(lǐng)域占有非常重要的位置。光纖陀螺脈沖輸出的采集，對(duì)于檢驗(yàn)陀螺性能、提高陀螺精度、增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性，具有重要作用。

1PSoC簡(jiǎn)介

2003年Cypress半導(dǎo)體公司推出了可編程片上系統(tǒng)（Programmable System on Chip，PSoC）， 它不但集 8 位微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，而且實(shí)現(xiàn)了“在系統(tǒng)可編程”，既滿足了一般電子系統(tǒng)的資源要求，又順應(yīng)了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向，是第一種真正具有混合信號(hào)處理能力的片上系統(tǒng)（SoC）[2]。

PSoC是一種可編程的半導(dǎo)體器件，與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）、在系統(tǒng)可編程模擬器件 ispPAC（In-System Programmable Analog Circuit）和單片機(jī)相比，具有如下特點(diǎn)：

1）PSoC綜合FPGA和ispPAC的功能為一體，既具有FPGA的可編程數(shù)字陣列，又具有ispPAC的可編程模擬陣列，即具有處理數(shù)字和模擬兩種信號(hào)的能力。此外，PSoC所具有的A/D、D/A用戶模塊解決了兩個(gè)陣列的接口問題。

2）PSoC有1個(gè)8位的微處理器，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。盡管FPGA可以通過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟核微控制器或微處理器，但是增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

3）與ispPAC相同，PSoC不需要編程器，就能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過程中編輯，用以修改和重構(gòu)電子系統(tǒng)，使用靈活方便。

4）雖然也可將PSoC視為1個(gè)8位的微控制器，即8位單片機(jī)。但是與一般單片機(jī)不同的是，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng)。而且PSoC具有比一般單片機(jī)更多的內(nèi)部資源，如低電壓監(jiān)測(cè)電路（Low Voltage Detect，LVD）、開關(guān)式升壓泵（Switch Mode Pump，SMP）、內(nèi)部精密參考電壓（Internal Voltage Reference）等。另外，PSoC同時(shí)具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)時(shí)鐘源，可以不需要外部晶體振蕩器即可自行工作。

PSoC的以上特點(diǎn)，使其在小型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)核心器件CY29666-24PVXI

本系統(tǒng)采用PSoC芯片CY29666-24PVXI，來實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖陀螺脈沖輸出的采集。芯片CY29666-24PVXI的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。它由4部分構(gòu)成：PSoC Core、數(shù)字系統(tǒng)（Digital System）、 模擬系統(tǒng) （Analog System） 和系統(tǒng)資源（System Resources）。其中，PSoC Core是PSoC器件的核心部分，包括M8C微處理器、SROM、32 K字節(jié)Flash、2 K字節(jié)SRAM、中斷控制器、可編程的多時(shí)鐘源、休眠計(jì)時(shí)器及看門狗等；數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)并存，是PSoC芯片的獨(dú)特之處。CY29666-24PVXI中有16個(gè)數(shù)字PSoC用戶模塊，如計(jì)數(shù)器功能模塊、定時(shí)器功能模塊、脈寬調(diào)制功能模塊等；12個(gè)模擬PSoC用戶模塊，如 A/D、D/A、可編程增益放大器等；CY29666-24PVXI提供的系統(tǒng)資源包括：數(shù)字時(shí)鐘、乘法加法器、采樣抽取器、主從及多主模式的I2C、上電復(fù)位（Power on Reset，POR）和低電壓檢測(cè)電路（Low Voltage Detect，LVD）、系統(tǒng)復(fù)位電路、內(nèi)部參考電壓等[3]。

圖1 CY29666-24PVXI的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of CY29666-24PVXI

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及硬件模塊的配置

本系統(tǒng)的硬件部分包括信號(hào)預(yù)處理模塊、脈沖采集模塊及液晶顯示模塊，其總的框圖如下圖2所示[4]。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3.1 信號(hào)預(yù)處理部分

脈沖信號(hào)是一種短暫、躍變的，達(dá)到一定躍變幅度的電信號(hào)。而對(duì)于輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)的光纖陀螺，為提高其輸出信號(hào)的抗干擾性，本系統(tǒng)在光纖陀螺與PSoC器件之間加了一個(gè)光電耦合器HCPL-2630，完成信號(hào)的預(yù)處理。

光電耦合器對(duì)輸入、輸出電信號(hào)起隔離作用，HCPL-2630一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力[5]。

3.2 脈沖采集部分

脈沖采集模塊由定時(shí)器模塊和計(jì)數(shù)器模塊組成。PSoC芯片嵌入了強(qiáng)大的定時(shí)器功能模塊。它擁有8位、16位、24位和32位可編程遞減定時(shí)器。通過對(duì)定時(shí)器模塊編程，用戶可實(shí)現(xiàn)多種工作方式的定時(shí)器功能。PSoC的定時(shí)器模塊由1個(gè)周期寄存器、1個(gè)同步遞減計(jì)數(shù)器和1個(gè)捕獲比較寄存器組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]，每個(gè)寄存器大小都是1個(gè)字節(jié)。

圖3 定時(shí)器模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of timer

當(dāng)定時(shí)器不工作時(shí)，向周期寄存器（Period Register）寫入一個(gè)周期值。當(dāng)定時(shí)器工作時(shí)，周期值會(huì)被自動(dòng)從周期寄存器中載入到遞減計(jì)數(shù)器（Down Counter）中，隨后，計(jì)數(shù)器將會(huì)執(zhí)行遞減計(jì)數(shù)操作直到0。在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿，周期值將會(huì)被重新載入，緊接著繼續(xù)計(jì)數(shù)。遞減計(jì)數(shù)器模塊主要的功能是輸出信號(hào)，它可以被配置成全時(shí)鐘循環(huán)或者半時(shí)鐘循環(huán)。

定時(shí)器具有定時(shí)、比較和捕獲比較3種功能。本系統(tǒng)中運(yùn)用其定時(shí)功能。原理如下：將系統(tǒng)的數(shù)字時(shí)鐘或其他輸入信號(hào)作為Clock，通過設(shè)置Period值即可獲得相應(yīng)的定時(shí)間隔，定時(shí)間隔T=（Period+1）/fClock。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器值減為 0時(shí)，定時(shí)器時(shí)間到，此時(shí)TerminalCounterOut將輸出一個(gè)高電平脈沖，若設(shè)置了中斷，則將產(chǎn)生定時(shí)器中斷。

定時(shí)器的核心是一個(gè)遞減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器功能模塊和定時(shí)器功能模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，都包含1個(gè)周期寄存器、1個(gè)同步遞減計(jì)數(shù)器和1個(gè)捕獲比較寄存器。兩者的功能模塊主要有如下的區(qū)別[7]：

1）計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入是一個(gè)計(jì)數(shù)器的使能位而不是一個(gè)捕獲輸入，計(jì)數(shù)器不能用作異步捕獲，當(dāng)計(jì)數(shù)器被使能工作時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器不能執(zhí)行讀操作；

2）比較器輸出作為計(jì)數(shù)器的主輸出，而計(jì)數(shù)器終止輸出是作為輔助輸出；

3）計(jì)數(shù)終止輸出只能是全周期輸出。

本系統(tǒng)中運(yùn)用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能，其原理是：將光纖陀螺儀脈沖輸出信號(hào)作為Clock輸入，預(yù)先設(shè)定一個(gè)Period數(shù)值，通過讀取減數(shù)計(jì)數(shù)器DR0數(shù)值的變化獲得輸入信號(hào)的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)值 C=Period－DR0。

3.3 顯示器件的選擇

PSoC集成開發(fā)環(huán)境（IDE）PSoC Designer5.0中有LCD、LED、LED7SEG等顯示器件。由于LCD功耗低、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、接口控制方便、使用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用LCD顯示器件。通常液晶顯示器LCD可分為兩大類，一類是點(diǎn)陣型，另一類是字符型。點(diǎn)陣型液晶通常面積較大，可以顯示圖形；而字符型液晶顯示模塊專用于顯示字母、數(shù)字和一些簡(jiǎn)單圖形，面積相對(duì)較小，簡(jiǎn)單易控制且成本較低。本系統(tǒng)只需顯示一定時(shí)間里的脈沖數(shù)，故選用了字符型液晶顯示器1602，它可實(shí)現(xiàn)兩行16個(gè)字符的顯示。

3.4 PSoC內(nèi)部硬件搭建

在集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）PSoC Designer5.0的器件編輯器中，可實(shí)現(xiàn)硬件模塊的搭建。本系統(tǒng)只用到了PSoC芯片內(nèi)部的1個(gè)8位定時(shí)器、1個(gè)16位計(jì)數(shù)器和1塊LCD用戶模塊。

8位定時(shí)器產(chǎn)生1 ms的方波信號(hào)，接在16位定時(shí)器的使能端，用于控制定時(shí)器對(duì)光纖陀螺脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，最終的采集結(jié)果在液晶顯示器LCD上顯示。PSoC內(nèi)部硬件搭建如圖4所示。

圖4 PSoC內(nèi)部硬件模塊圖Fig.4 Inernal hardware block diagram of PSoC

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先用8位定時(shí)器Timer8通過中斷方式產(chǎn)生準(zhǔn)確時(shí)間，而后調(diào)用計(jì)數(shù)子程序?qū)饫w陀螺脈沖輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后調(diào)用顯示子程序?qū)⒉蓸咏Y(jié)果在LCD上顯示出來。其軟件流程如下圖5所示[8]。

需要注意的是，在定時(shí)器最終計(jì)數(shù)結(jié)束后的下一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，定時(shí)器會(huì)自動(dòng)重新加載計(jì)數(shù)初值。所以要在此之前讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。此操作可以通過定時(shí)器的中斷程序來實(shí)現(xiàn)。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

5 測(cè)試結(jié)果

將應(yīng)用層代碼下載到PSoC程序下載軟件環(huán)境PSoC Programmer 3.06中，進(jìn)行仿真。本系統(tǒng)選用南京盛普儀器科技有限公司生產(chǎn)的SP1641D型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來模擬光纖陀螺的脈沖輸出信號(hào)，測(cè)試周期為1 s，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Testing data

由表1可看出，本測(cè)試系統(tǒng)能夠精確測(cè)量頻率范圍在0.1Hz～1 MHz之間的光纖陀螺脈沖輸出，并且誤差小于萬分之一，滿足了實(shí)際的測(cè)試需求。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以PSoC芯片CY29666－24PVXI為核心，完成了光纖陀螺脈沖輸出的高精度采集。測(cè)試范圍能夠達(dá)到0.1Hz～1 MHz，誤差小于萬分之一。該設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、集成度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉、且可靠性高，充分體現(xiàn)了PSoC芯片的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)光纖陀螺進(jìn)行測(cè)試，提高光纖陀螺精度方面，有較大的價(jià)值。

[1] 周海波，劉建業(yè)，賴際舟，等.光纖陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀[J].傳感器技術(shù)，2005，24（6）:1－3.ZHOU Hai-bo，LIU Jian-ye，LAI Ji-zhou，et al.Developement status of fiber-optic gyroscope [J].Journal of Transducer Technology，2005，24（6）:1－3.

[2] 羅勝欽.數(shù)字集成系統(tǒng)芯片（SOC）設(shè)計(jì)[M].北京:希望電子出版社，2002.

[3] 戴國駿，張翔，曾虹.PSoC體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[4]黃蘋.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2005.

[5] 武戰(zhàn)強(qiáng).光電耦合器介紹及應(yīng)用 [J].家電檢修技術(shù)，2007（8）:61-62.WU Zhan-qiang.Introduction and application of optical coupler[J].Technology of Appliance Repair， 2007（8）:61-62.

[6] Cypress Inc.DataSheet_Timer8[EB/OL].（2003）.[2009-09-14].http://www.cypress.com.

[7] 葉朝輝，華成英.可編程片上系統(tǒng)（PSoC）原理及實(shí)訓(xùn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[8] Cypress Microsystems，Inc.PSoC Designer:C Language Compiler User Guide[EB/OL]（2003）.[2009-10-20].http://www.cypress.com/?docID=2724.