PSoC在光纤陀螺脉冲输出采集中的应用

1、PSoC在光纤陀螺脉冲输出采集中的应用摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：Butte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

2、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

3、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AD、DA用户模块解决了两个阵列的接口问题。

4、 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(Intem

5、al 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M

6、8C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AD、DA、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

7、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。31 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

8、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。32 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

9、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

10、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

11、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 Designer5O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。34 PSoC内部硬件搭建在集成

12、开发环境(IDE)PSoC Designer50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

13、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PSoCProgrammer306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01Hz1MHz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01Hz1 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