陀螺儀是一種測量運(yùn)動物體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)的裝置。繞一個支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺（top）。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 由蒼蠅后翅（退化為平衡棒）仿生得來。在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（gyroscopic effect）。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀（gyroscope），它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進(jìn)（歲差）等。陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

1 PSoC簡介

PSoC系列單片機(jī)是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。PSoC 是一種對于標(biāo)準(zhǔn)的"全數(shù)字式"微控制器設(shè)計、純粹的模擬設(shè)計以及介乎此二者之間的所有設(shè)計而言具有同等的高適用性的器件，是一種具有極端靈活且完全可編程的混合信號SOC 的基本原理的全新一代器件。

PSoC Designer（TM）是PSoC的傳統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，它是一款功能全面的基于圖形用戶接口（GUI）的設(shè)計工具套件，使用戶能以簡單的點(diǎn)擊對設(shè)計中的硅技術(shù)進(jìn)行配置。在PSoC Designer的幫助下，用戶可以采用C語言或匯編語言編寫MCU的代碼，還可用事件觸發(fā)器和多斷點(diǎn)等先進(jìn)的特性對設(shè)計進(jìn)行調(diào)試，同時還可以采用C語言、匯編語言或二者的結(jié)合，通過代碼實(shí)現(xiàn)單步進(jìn)。PSoC Designer是免費(fèi)的，您可在此了解有關(guān)信息并下載該工具。

PSoC是一種可編程的半導(dǎo)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(jī)相比，具有如下特點(diǎn)：

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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。盡管FPGA可以通過設(shè)計，實(shí)現(xiàn)一個軟核微控制器或微處理器，但是增加了系統(tǒng)設(shè)計的難度。

3）與ispPAC相同，PSoC不需要編程器，就能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過程中編輯，用以修改和重構(gòu)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(jī)。但是與一般單片機(jī)不同的是，它幾乎不需要外部電路，一片PSoC就可實(shí)現(xiàn)一個電子系統(tǒng)。而且PSoC具有比一般單片機(jī)更多的內(nèi)部資源，如低電壓監(jiān)測電路（Low Voltage Detect,LVD）、開關(guān)式升壓泵（Switch Mode Pum-p,SMP）、內(nèi)部精密參考電壓等。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(diǎn)，使其在小型系統(tǒng)設(shè)計方面正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)核心器件CY29666-24VXI

本系統(tǒng)采用PSoC芯片CY29666-24PVXI,來實(shí)現(xiàn)對光纖陀螺脈沖輸出的采集。芯片CY29666-24PVXI的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。它由4部分構(gòu)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，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(fù)位（Power on Reset,POR）和低電壓檢測電路（Low Voltage Detect,LVD）、系統(tǒng)復(fù)位電路、內(nèi)部參考電壓等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計及硬件模塊的配置

本系統(tǒng)的硬件部分包括信號預(yù)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(yù)處理部分

脈沖信號是一種短暫、躍變的，達(dá)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(yù)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(qū)動發(fā)光二極管，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(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電-光-電的轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖3所示，每個寄存器大小都是1個字節(jié)。當(dāng)定時器不工作時，向周期寄存器（Period Register）寫入一個周期值。定時器具有定時、比較和捕獲比較3種功能。本系統(tǒng)中運(yùn)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(shè)置Period值即可獲得相應(yīng)的定時間隔，定時間隔T=（Period+1）/fClock.當(dāng)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(dāng)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(yùn)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(yù)先設(shè)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(diǎn)，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(diǎn)陣型，另一類是字符型。點(diǎn)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(shí)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(shí)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(jié)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(shè)計

系統(tǒng)首先用8位定時器Timer8通過中斷方式產(chǎn)生準(zhǔn)確時間，而后調(diào)用計數(shù)子程序?qū)饫w陀螺脈沖輸出進(jìn)行計數(shù)，最后調(diào)用顯示子程序?qū)⒉蓸咏Y(jié)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(jié)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(shí)現(xiàn)。

5 測試結(jié)果

將應(yīng)用層代碼下載到PSoC程序下載軟件環(huán)境PSoCProgrammer3.06中。進(jìn)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(shí)際的測試需求。

6 結(jié)束語

本設(shè)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(dá)到0.1Hz~1 MHz,誤差小于萬分之一。該設(shè)計電路簡單、集成度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、價格低廉、且可靠性高，充分體現(xiàn)了PSoC芯片的優(yōu)點(diǎn)，在對光纖陀螺進(jìn)行測試，提高光纖陀螺精度方面，有較大的價值。