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(tǒng)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(fā)展和應用,。光纖陀螺(FOG)是利用光纖構成的一種環(huán)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(xiàn)旋轉角速度的檢測。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(chǎn)品可靠性，具有重要作用,。
1 PSoC簡介
2003年Cypress半導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,，又順應了現(xiàn)代電子設計方法的發(fā)展方向,，是第一種真正具有混合信號處理能力的片上系統(tǒng)(SoC)。
PSoC是一種可編程的半導體器件,，與現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array),、在系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC(InSys-tem Programmable Arialog 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(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(xiàn)系統(tǒng)設計,。盡管FPGA可以通過設計，實現(xiàn)一個軟核微控制器或微處理器,，但是增加了系統(tǒng)設計的難度,。
3)與ispPAC相同，PSoC不需要編程器,，就能夠在系統(tǒng)運行過程中編輯,，用以修改和重構電子系統(tǒng)，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(xiàn)一個電子系統(tǒng)。而且PSoC具有比一般單片機更多的內(nèi)部資源,，如低電壓監(jiān)測電路(Low Voltage Detect,，LVD)、開關式升壓泵(Switch Mode Pum-p,，SMP),、內(nèi)部精密參考電壓(Intemal Voltage Reference)等。另外,，PSoC同時具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)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(tǒng)設計方面正在得到越來越廣泛的應用,。
2 系統(tǒng)核心器件CY29666-24VXI
本系統(tǒng)采用PSoC芯片CY29666-24PVXI，來實現(xiàn)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(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,、可編程的多時鐘源,、休眠計時器及看門狗等,；數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)并存，是PSoC芯片的獨特之處,。CY29666-24PVXI中有16個數(shù)字PSoC用戶模塊,，如計數(shù)器功能模塊、定時器功能模塊,、脈寬調(diào)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(tǒng)資源包括：數(shù)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(tǒng)復位電路,、內(nèi)部參考電壓等,。
3 系統(tǒng)硬件設計及硬件模塊的配置
本系統(tǒng)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,。
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(tǒng)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(fā)射、光的接收及信號放大,。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管(LED),，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,，再經(jīng)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問互相隔離,，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。
3．2 脈沖采集部分
脈沖采集模塊由定時器模塊和計數(shù)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(xiàn)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(shù)器和1個捕獲比較寄存器組成，結構如圖3所示,，每個寄存器大小都是1個字節(jié),。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(shù)器(Down Counter)中，隨后,，計數(shù)器將會執(zhí)行遞減計數(shù)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(xù)計數(shù),。遞減計數(shù)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(huán)或者半時鐘循環(huán),。定時器具有定時,、比較和捕獲比較3種功能。本系統(tǒng)中運用其定時功能,。原理如下：將系統(tǒng)的數(shù)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(shù)器值減為0時,，定時器時間到，此時Terminal Counter Out將輸出一個高電平脈沖,，若設置了中斷，則將產(chǎn)生定時器中斷,。
定時器的核心是一個遞減計數(shù)的計數(shù)器,，計數(shù)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(shù)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(qū)別：
1)計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入是一個計數(shù)器的使能位而不是一個捕獲輸入,，計數(shù)器不能用作異步捕獲，當計數(shù)器被使能工作時,，數(shù)據(jù)寄存器不能執(zhí)行讀操作,；
2)比較器輸出作為計數(shù)器的主輸出，而計數(shù)器終止輸出是作為輔助輸出,；
3)計數(shù)終止輸出只能是全周期輸出,。
本系統(tǒng)中運用計數(shù)器的計數(shù)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(shù)值,，通過讀取減數(shù)計數(shù)器DR0數(shù)值的變化獲得輸入信號的計數(shù)值，計數(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．O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(yōu)點，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(shù)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(tǒng)只需顯示一定時間里的脈沖數(shù),，故選用了字符型液晶顯示器1602，它可實現(xiàn)兩行16個字符的顯示,。
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8位定時器、1個16位計數(shù)器和1塊LCD用戶模塊,。
8位定時器產(chǎn)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(shù),，最終的采集結果在液晶顯示器LCD上顯示,。PSoC內(nèi)部硬件搭建如圖4所示。
4 軟件設計
系統(tǒng)首先用8位定時器Timer8通過中斷方式產(chǎn)生準確時間,，而后調(diào)用計數(shù)子程序對光纖陀螺脈沖輸出進行計數(shù),，最后調(diào)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,。
需要注意的是,，在定時器最終計數(shù)結束后的下一個系統(tǒng)時鐘周期，定時器會自動重新加載計數(shù)初值,。所以要在此之前讀取計數(shù)器的計數(shù)值,。此操作可以通過定時器的中斷程序來實現(xiàn)。
5 測試結果
將應用層代碼下載到PSoC程序下載軟件環(huán)境PSoCProgrammer3．06中,。進行仿真,。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)信號發(fā)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(shù)據(jù)如表1所示,。
由表1可看出，本測試系統(tǒng)能夠精確測量頻率范圍在0．1Hz～1MHz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(wěn)定,、抗干擾能力強,、價格低廉、且可靠性高,，充分體現(xiàn)了PSoC芯片的優(yōu)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,。