陀螺儀是一種測量運動物體相對慣性空間旋轉的裝置。繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺（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，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進（precession），又稱為回轉效應（gyroscopic effect）。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，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性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀（gyroscope），它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的應用。比如：回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進（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動的自動控制系統中，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的指示，作為駕駛和領航儀表使用。

1 PSoC簡介

PSoC系列單片機是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內核周圍集成了可配置的模擬和數字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯陣列，有效地配置芯片上的模擬和數字塊資源，達到可編程片上系統的目的。PSoC 是一種對于標準的"全數字式"微控制器設計、純粹的模擬設計以及介乎此二者之間的所有設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的傳統軟件開發環境，它是一款功能全面的基于圖形用戶接口（GUI）的設計工具套件，使用戶能以簡單的點擊對設計中的硅技術進行配置。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，還可用事件觸發器和多斷點等先進的特性對設計進行調試，同時還可以采用C語言、匯編語言或二者的結合，通過代碼實現單步進。PSoC Designer是免費的，您可在此了解有關信息并下載該工具。

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M8C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，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A/D、D/A、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 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。

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，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 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。

3.4 PSoC內部硬件搭建

在集成開發環境（IDE）PSoC Designer5.0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PSoCProgrammer3.06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、性能穩定、抗干擾能力強、價格低廉、且可靠性高，充分體現了PSoC芯片的優點，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。