PSoC在光纤陀螺脉冲输出采集中的应用

陀螺仪是一种测量运动物体相对惯性空间旋转的装置。以陀螺仪为核心的惯性测量系统在飞行器控制与制导，空中、海上和陆上导航／定位中都起着至关重要的作用。作为新型陀螺，光纤陀螺得到了迅速的发展和应用。光纤陀螺(FOG)是利用光纤构成的一种环状干涉仪，属纯光学、静止型陀螺，通过萨格奈克(Sagnac)效应来实现旋转角速度的检测。由于光纤陀螺突出的技术特点和应用背景，光纤陀螺将在惯性元件领域占有非常重要的位置。光纤陀螺脉冲输出的采集，对于检验陀螺性能、提高陀螺精度、增强产品可靠性，具有重要作用。

1 PSoC简介
    2003年Cypress半导体公司推出了可编程片上系统(Programmable System on Chip，PsoC)，它不但集8位微控制器、可编程数字阵列和可编程模拟阵列为一体，而且实现了“在系统可编程”，既满足了一般电子系统的资源要求，又顺应了现代电子设计方法的发展方向，是第一种真正具有混合信号处理能力的片上系统(SoC)。
    PSoC是一种可编程的半导体器件，与现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)、在系统可编程模拟器件ispPAC(InSys-tem Programmable Arialog Circuit)和单片机相比，具有如下特点：
    1)PSoC综合FPGA和ispPAC的功能为一体，既具有FPGA的可编程数字阵列，又具有ispPAC的可编程模拟阵列，即具有处理数字和模拟两种信号的能力。此外，PSoC所具有的A／D、D／A用户模块解决了两个阵列的接口问题。
    2)PSoC有1个8位的微处理器，可以方便地实现系统设计。尽管FPGA可以通过设计，实现一个软核微控制器或微处理器，但是增加了系统设计的难度。
    3)与ispPAC相同，PSoC不需要编程器，就能够在系统运行过程中编辑，用以修改和重构电子系统，使用灵活方便。
    4)虽然也可将PSoC视为1个8位的微控制器，即8位单片机。但是与一般单片机不同的是，它几乎不需要外部电路，一片PSoC就可实现一个电子系统。而且PSoC具有比一般单片机更多的内部资源，如低电压监测电路(Low Voltage Detect，LVD)、开关式升压泵(Switch Mode Pum-p，SMP)、内部精密参考电压(Intemal Voltage Reference)等。另外，PSoC同时具有片内和片外系统时钟源，可以不需要外部晶体振荡器即可自行工作。
    PSoC的以上特点，使其在小型系统设计方面正在得到越来越广泛的应用。

2 系统核心器件CY29666-24VXI
    本系统采用PSoC芯片CY29666-24PVXI，来实现对光纤陀螺脉冲输出的采集。芯片CY29666-24PVXI的结构框图如下图1所示。它由4部分构成：PSoC Core、数字系统(Digital System)、模拟系统(Analog System)和系统资源(System Resources)。其中，PSoC Core是PSoC器件的核心部分，包括M8C微处理器、SROM、32 K字节Flash、2 K字节SRAM、中断控制器、可编程的多时钟源、休眠计时器及看门狗等；数字系统和模拟系统并存，是PSoC芯片的独特之处。CY29666-24PVXI中有16个数字PSoC用户模块，如计数器功能模块、定时器功能模块、脉宽调制功能模块等：12个模拟PSoC用户模块，如A／D、D／A、可编程增益放大器等；CY29666-24PVXI提供的系统资源包括：数字时钟、乘法加法器、采样
抽取器、主从及多主模式的I2C、上电复位(Power on Reset，POR)和低电压检测电路(Low Voltage Detect，LVD)、系统复位电路、内部参考电压等。

3 系统硬件设计及硬件模块的配置
    本系统的硬件部分包括信号预处理模块、脉冲采集模块及液晶显示模块，其总的框图如下图2所示。

3．1 信号预处理部分
    脉冲信号是一种短暂、跃变的，达到一定跃变幅度的电信号。而对于输出信号为脉冲信号的光纤陀螺，为提高其输出信号的抗干扰性，本系统在光纤陀螺与PSoC器件之间加了一个光电耦合器HCPL-2630，完成信号的预处理。
    光电耦合器对输入、输出电信号起隔离作用，HCPL-2630一般由3部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED)，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。
    由于光耦合器输入输出问互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
3．2 脉冲采集部分
    脉冲采集模块由定时器模块和计数器模块组成。PSoC芯片嵌入了强大的定时器功能模块。它拥有8位、16位、24位和32位可编程递减定时器。通过对定时器模块编程，用户可实现多种工作方式的定时器功能。PSoC的定时器模块由1个周期寄存器、1个同步递减计数器和1个捕获比较寄存器组成，结构如图3所示，每个寄存器大小都是1个字节。当定时器不工作时，向周期寄存器(Period Register)写入一个周期值。当定时器工作时，周期值会被自动从周期寄存器中载入到递减计数器(Down Counter)中，随后，计数器将会执行递减计数操作直到0。在下一个时钟上升沿，周期值将会被重新载入，紧接着继续计数。递减计数器模块主要的功能是输出信号，它可以被配置成全时钟循环或者半时钟循环。定时器具有定时、比较和捕获比较3种功能。本系统中运用其定时功能。原理如下：将系统的数字时钟或其他输入信号作为Clock，通过设置Period值即可获得相应的定时间隔，定时间隔T=(Period+1)／fClock。当递减计数器值减为0时，定时器时间到，此时Terminal Counter Out将输出一个高电平脉冲，若设置了中断，则将产生定时器中断。

    定时器的核心是一个递减计数的计数器，计数器功能模块和定时器功能模块具有相同的结构，都包含1个周期寄存器、1个同步递减计数器和1个捕获比较寄存器。两者的功能模块主要有如下的区别：
    1)计数器的数据输入是一个计数器的使能位而不是一个捕获输入，计数器不能用作异步捕获，当计数器被使能工作时，数据寄存器不能执行读操作；
    2)比较器输出作为计数器的主输出，而计数器终止输出是作为辅助输出；
    3)计数终止输出只能是全周期输出。
    本系统中运用计数器的计数功能，其原理是：将光纤陀螺仪脉冲输出信号作为Clock输入，预先设定一个Period数值，通过读取减数计数器DR0数值的变化获得输入信号的计数值，计数值C=Period-DR0。
3. 3 显示器件的选择
    PSoC集成开发环境(IDE)PSoC Designer5．O中有LCD、LED、LED7SEG等显示器件。由于LCD功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便、使用灵活等诸多优点，本系统选用LCD显示器件。通常液晶显示器LCD可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形；而字符型液晶显示模块专用于显示字母、数字和一些简单图形，面积相对较小，简单易控制且成本较低。本系统只需显示一定时间里的脉冲数，故选用了字符型液晶显示器1602，它可实现两行16个字符的显示。
3．4 PSoC内部硬件搭建
    在集成开发环境(IDE)PSoC Designer5．0的器件编辑器中，可实现硬件模块的搭建。本系统只用到了PSoC芯片内部的1个8位定时器、1个16位计数器和1块LCD用户模块。
    8位定时器产生1 ms的方波信号，接在16位定时器的使能端，用于控制定时器对光纤陀螺脉冲信号计数，最终的采集结果在液晶显示器LCD上显示。PSoC内部硬件搭建如图4所示。

4 软件设计
    系统首先用8位定时器Timer8通过中断方式产生准确时间，而后调用计数子程序对光纤陀螺脉冲输出进行计数，最后调用显示子程序将采样结果在LCD上显示出来。其软件流程如下图5所示。

    需要注意的是，在定时器最终计数结束后的下一个系统时钟周期，定时器会自动重新加载计数初值。所以要在此之前读取计数器的计数值。此操作可以通过定时器的中断程序来实现。

5 测试结果
    将应用层代码下载到PSoC程序下载软件环境PSoCProgrammer3．06中。进行仿真。本系统选用南京盛普仪器科技有限公司生产的SP1641D型函数信号发生器来模拟光纤陀螺的脉冲输出信号，测试周期为1 s，测试数据如表1所示。

    由表1可看出，本测试系统能够精确测量频率范围在0．1Hz～1MHz之间的光纤陀螺脉冲输出，并且误差小于万分之一，满足了实际的测试需求。

6 结束语
    本设计以PSoC芯片CY29666-24PVXI为核心，完成了光纤陀螺脉冲输出的高精度采集。测试范围能够达到0．1Hz～1 MHz，误差小于万分之一。该设计电路简单、集成度高、性能稳定、抗干扰能力强、价格低廉、且可靠性高，充分体现了PSoC芯片的优点，在对光纤陀螺进行测试，提高光纤陀螺精度方面，有较大的价值。