1、PSoC在光纖陀螺脈沖輸出采集中的應用摘要：實現了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導放大器-電容(OTAC)連續時間型濾波器的結構、設計和具體實現，使用外部可編程電路對所設計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設計和仿真驗證。仿真結果表明，該濾波器帶寬的可調范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態。關鍵詞：Butte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

2、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。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。1 PSoC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

3、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)。 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(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AD、DA用戶模塊解決了兩個陣列的接口問題。

4、 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 Pum-p，SMP)、內部精密參考電壓(Intem

5、al 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CY29666-24VXI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M

6、8C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AD、DA、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

7、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。31 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

8、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。32 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，每個寄存器大小都是1個字節。當定時器不工作時，向周期寄存器(Period Register)寫

9、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Terminal Counter Out將輸出一個高電平脈沖，若設

10、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： 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

11、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 Designer5O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。34 PSoC內部硬件搭建在集成

12、開發環境(IDE)PSoC Designer50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。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。 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

13、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。5 測試結果將應用層代碼下載到PSoC程序下載軟件環境PSoCProgrammer306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。 由表1可看出，本測試系統能夠精確測量頻率范圍在01Hz1MHz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01Hz1 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