PSoC在光纖陀螺脈沖輸出采集中的應用

胡志潔，張志文

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

陀螺儀是一種測量運動物體相對慣性空間旋轉的裝置。以陀螺儀為核心的慣性測量系統在飛行器控制與制導，空中、海上和陸上導航/定位中都起著至關重要的作用。作為新型陀螺，光纖陀螺得到了迅速的發展和應用。光纖陀螺（FOG）是利用光纖構成的一種環狀干涉儀，屬純光學、靜止型陀螺，通過薩格奈克（Sagnac）效應來實現旋轉角速度的檢測[1]。

由于光纖陀螺突出的技術特點和應用背景，光纖陀螺將在慣性元件領域占有非常重要的位置。光纖陀螺脈沖輸出的采集，對于檢驗陀螺性能、提高陀螺精度、增強產品可靠性，具有重要作用。

1PSoC簡介

2003年Cypress半導體公司推出了可編程片上系統（Programmable System on Chip，PSoC）， 它不但集 8 位微控制器、可編程數字陣列和可編程模擬陣列為一體，而且實現了“在系統可編程”，既滿足了一般電子系統的資源要求，又順應了現代電子設計方法的發展方向，是第一種真正具有混合信號處理能力的片上系統（SoC）[2]。

PSoC是一種可編程的半導體器件，與現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）、在系統可編程模擬器件 ispPAC（In-System Programmable Analog Circuit）和單片機相比，具有如下特點：

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

2）PSoC有1個8位的微處理器，可以方便地實現系統設計。盡管FPGA可以通過設計，實現一個軟核微控制器或微處理器，但是增加了系統設計的難度。

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

4）雖然也可將PSoC視為1個8位的微控制器，即8位單片機。但是與一般單片機不同的是，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC就可實現一個電子系統。而且PSoC具有比一般單片機更多的內部資源，如低電壓監測電路（Low Voltage Detect，LVD）、開關式升壓泵（Switch Mode Pump，SMP）、內部精密參考電壓（Internal Voltage Reference）等。另外，PSoC同時具有片內和片外系統時鐘源，可以不需要外部晶體振蕩器即可自行工作。

PSoC的以上特點，使其在小型系統設計方面正在得到越來越廣泛的應用。

2 系統核心器件CY29666-24PVXI

本系統采用PSoC芯片CY29666-24PVXI，來實現對光纖陀螺脈沖輸出的采集。芯片CY29666-24PVXI的結構框圖如下圖1所示。它由4部分構成：PSoC Core、數字系統（Digital System）、 模擬系統 （Analog System） 和系統資源（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Flash、2 K字節SRAM、中斷控制器、可編程的多時鐘源、休眠計時器及看門狗等；數字系統和模擬系統并存，是PSoC芯片的獨特之處。CY29666-24PVXI中有16個數字PSoC用戶模塊，如計數器功能模塊、定時器功能模塊、脈寬調制功能模塊等；12個模擬PSoC用戶模塊，如 A/D、D/A、可編程增益放大器等；CY29666-24PVXI提供的系統資源包括：數字時鐘、乘法加法器、采樣抽取器、主從及多主模式的I2C、上電復位（Power on Reset，POR）和低電壓檢測電路（Low Voltage Detect，LVD）、系統復位電路、內部參考電壓等[3]。

圖1 CY29666-24PVXI的結構框圖Fig.1 Block diagram of CY29666-24PVXI

3 系統硬件設計及硬件模塊的配置

本系統的硬件部分包括信號預處理模塊、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 系統硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3.1 信號預處理部分

脈沖信號是一種短暫、躍變的，達到一定躍變幅度的電信號。而對于輸出信號為脈沖信號的光纖陀螺，為提高其輸出信號的抗干擾性，本系統在光纖陀螺與PSoC器件之間加了一個光電耦合器HCPL-2630，完成信號的預處理。

光電耦合器對輸入、輸出電信號起隔離作用，HCPL-2630一般由3部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管（LED），使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，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，電信號傳輸具有單向性等特點，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器模塊和計數器模塊組成。PSoC芯片嵌入了強大的定時器功能模塊。它擁有8位、16位、24位和32位可編程遞減定時器。通過對定時器模塊編程，用戶可實現多種工作方式的定時器功能。PSoC的定時器模塊由1個周期寄存器、1個同步遞減計數器和1個捕獲比較寄存器組成，結構如圖3所示[6]，每個寄存器大小都是1個字節。

圖3 定時器模塊結構圖Fig.3 Block diagram of timer

當定時器不工作時，向周期寄存器（Period Register）寫入一個周期值。當定時器工作時，周期值會被自動從周期寄存器中載入到遞減計數器（Down Counter）中，隨后，計數器將會執行遞減計數操作直到0。在下一個時鐘上升沿，周期值將會被重新載入，緊接著繼續計數。遞減計數器模塊主要的功能是輸出信號，它可以被配置成全時鐘循環或者半時鐘循環。

定時器具有定時、比較和捕獲比較3種功能。本系統中運用其定時功能。原理如下：將系統的數字時鐘或其他輸入信號作為Clock，通過設置Period值即可獲得相應的定時間隔，定時間隔T=（Period+1）/fClock。當遞減計數器值減為 0時，定時器時間到，此時TerminalCounterOut將輸出一個高電平脈沖，若設置了中斷，則將產生定時器中斷。

定時器的核心是一個遞減計數的計數器，計數器功能模塊和定時器功能模塊具有相同的結構，都包含1個周期寄存器、1個同步遞減計數器和1個捕獲比較寄存器。兩者的功能模塊主要有如下的區別[7]：

1）計數器的數據輸入是一個計數器的使能位而不是一個捕獲輸入，計數器不能用作異步捕獲，當計數器被使能工作時，數據寄存器不能執行讀操作；

2）比較器輸出作為計數器的主輸出，而計數器終止輸出是作為輔助輸出；

3）計數終止輸出只能是全周期輸出。

本系統中運用計數器的計數功能，其原理是：將光纖陀螺儀脈沖輸出信號作為Clock輸入，預先設定一個Period數值，通過讀取減數計數器DR0數值的變化獲得輸入信號的計數值，計數值 C=Period－DR0。

3.3 顯示器件的選擇

PSoC集成開發環境（IDE）PSoC Designer5.0中有LCD、LED、LED7SEG等顯示器件。由于LCD功耗低、壽命長、價格低、接口控制方便、使用靈活等諸多優點，本系統選用LCD顯示器件。通常液晶顯示器LCD可分為兩大類，一類是點陣型，另一類是字符型。點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、數字和一些簡單圖形，面積相對較小，簡單易控制且成本較低。本系統只需顯示一定時間里的脈沖數，故選用了字符型液晶顯示器1602，它可實現兩行16個字符的顯示。

3.4 PSoC內部硬件搭建

在集成開發環境 （IDE）PSoC Designer5.0的器件編輯器中，可實現硬件模塊的搭建。本系統只用到了PSoC芯片內部的1個8位定時器、1個16位計數器和1塊LCD用戶模塊。

8位定時器產生1 ms的方波信號，接在16位定時器的使能端，用于控制定時器對光纖陀螺脈沖信號計數，最終的采集結果在液晶顯示器LCD上顯示。PSoC內部硬件搭建如圖4所示。

圖4 PSoC內部硬件模塊圖Fig.4 Inernal hardware block diagram of PSoC

4 軟件設計

系統首先用8位定時器Timer8通過中斷方式產生準確時間，而后調用計數子程序對光纖陀螺脈沖輸出進行計數，最后調用顯示子程序將采樣結果在LCD上顯示出來。其軟件流程如下圖5所示[8]。

需要注意的是，在定時器最終計數結束后的下一個系統時鐘周期，定時器會自動重新加載計數初值。所以要在此之前讀取計數器的計數值。此操作可以通過定時器的中斷程序來實現。

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

5 測試結果

將應用層代碼下載到PSoC程序下載軟件環境PSoC Programmer 3.06中，進行仿真。本系統選用南京盛普儀器科技有限公司生產的SP1641D型函數信號發生器來模擬光纖陀螺的脈沖輸出信號，測試周期為1 s，測試數據如表1所示。

表1 測試數據Tab.1 Testing data

由表1可看出，本測試系統能夠精確測量頻率范圍在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，滿足了實際的測試需求。

6 結束語

本設計以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。測試范圍能夠達到0.1Hz～1 MHz，誤差小于萬分之一。該設計電路簡單、集成度高、性能穩定、抗干擾能力強、價格低廉、且可靠性高，充分體現了PSoC芯片的優點，在對光纖陀螺進行測試，提高光纖陀螺精度方面，有較大的價值。

[1] 周海波，劉建業，賴際舟，等.光纖陀螺儀的發展現狀[J].傳感器技術，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.數字集成系統芯片（SOC）設計[M].北京:希望電子出版社，2002.

[3] 戴國駿，張翔，曾虹.PSoC體系結構與編程[M].北京:中國科學技術出版社，2005.

[4]黃蘋.捷聯慣導系統標定技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2005.

[5] 武戰強.光電耦合器介紹及應用 [J].家電檢修技術，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（PSoC）原理及實訓[M].北京:清華大學出版社，2008.

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