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采用FPGA/MCU技术的光电式滚转角测量仪的解决方案

时间:12-10 来源:互联网 点击:

本文设计基于FPGA/MCU的光电式滚转角测量仪,安装于实验转台上,实时输出滚转角度值,为弹体的滚转角测量提供对照基准,并可与上位机进行通信,将数据传送到主机中进行后续处理。

系统整体方案

滚转角测量仪物理架构如图1、2所示。a为滚转体,可沿轴向做360度旋转,在滚转体上某固定位置安装红外发光二极管k,光束方向沿截面径向朝外;b为侧支架,为了减少环境光线的干扰,采用封闭式设计,沿支架周向均匀安装n个光敏接收电路gl-gn,n值视所需测量精度而定;当滚转体旋转到某角度时,延径向发射红外光,侧支架上的光敏三极管对其进行接收,把光信号转换为电压信号,经过处理之后送给主控板,主控板通过判断是哪个光敏三极管接收到了信号来确定滚转角度,滚转体也可能会刚好旋转到两个光敏三极管之间,导致二者同时接收到光信号,此时可对信号进行AD转换,然后通过相应算法对转换值进行处理,从而解算出滚转角。

  系统硬件设计

滚转角测量仪的硬件框图如图3所示,包括红外光发射模块、光敏接收模块、FPGA/MCU信息处理模块、电源模块、LED显示模块等,以下分别进行具体介绍。

红外光发射模块选用方向性较强的窄角度红外发光二极管PH303,波长0.94mm,通过510Ω限流电阻与弹上的陀螺仪或者磁探测模块相连接,当滚转体转到某角度时由单片机控制其持续发光。由于发光二极管与光敏接收模块之间的距离较短,仅有3~4cm,因此采用小功率直射方式便可满足要求。

光敏接收模块采用UNI公司的NPN光敏三极管MID-32A22,接收光波长也为0.94mm。接收模块电路如图4所示,实物如图5所示,Q1为光敏三极管,LM358D为双通道集成运算放大器。在Q1上施加9V的偏置电压,保证集电结处于反向偏置,发射结处于正向偏置。室温条件下,当受到红外光照射时,发射集的输出电流与入射光强度呈线性关系,范围在1.5~2mA之间,R4取值为330Ω,则LM358D的引脚5输入电压在0.5~0.66V之间。前级运放搭建成同相比例放大器,取R1=1kW,R2=5kW,放大倍数为(1+5/1)=6倍,则引脚7的输出电压在以上。后级运放搭建成一阶低通有源滤波器,取R3=15.8kW,C1=0.1mF,截止频率为100Hz。Ax(x=1-n)为经过光电转换及信号调理之后的输出信号,本系统中n取值为37,即在侧支架上沿周向均匀安装37个光敏接收模块。当Q1接收到足够强度的入射红外光时Ax输出为高电平,没有受到入射光照射时保持为低电平,信号直接送至FPGA/MCU信息处理模块的相应引脚。

FPGA/MCU信息处理模块:FPGA作为主处理器,两片MCU作为协处理器,FPGA与MCU及上位机之间均使用串口通信方式。

FPGA采用Altera公司的EP1C3T144,具有2910个逻辑单元,可用IO引脚达104个,集成1个PLL模块,使用与1.5V联合供电,上电次序可任意配置,可灵活选择使用主动串行方式或者JTAG方式进行调试,外接50MHz有源晶振为芯片提供基准频率。

MCU选用Cygnal公司的C8051F310,工作电压2.7V~3.6V,最高工作频率可达25MHz,提供1280字节RAM和16Kb FLASH,29个耐5V电压的可配置IO引脚,片内集成21路10位200KSPS ADC及硬件增强型UART,可使用Silicon lab2线调试方式。




FPGA与MCU的硬件连接如图6所示,光敏接收模块的输出信号A1-A37依次送至FPGA各引脚及MCU的ADC输入引脚,由于每片C8051F310最多只允许21路ADC输入,因此使用两片MCU,MCU A采集A1-A20,MCU B采集A18-A37,其中A18、A19、A20被重叠采集。如果两片MCU采集的信号互不重叠,比如MCU A采集A1-A18,MCU B采集A19-A37,当滚转体转至g18与g19之间时,二者都受到一定强度的红外光照射,输出信号A18、A19同时为高电平,则需要将A18的值从MCU A送至MCU B进行集中处理,增加编程工作量,而且由于不是同一芯片的ADC采集到的数据,不排除存在系统误差的可能性,从而影响滚转角判断结果,但采集信号重叠之后,则仅使用MCU A或者MCU B就可单独进行处理,重叠信号越多处理范围越广。FPGA的TXi、RXi(i=0,1)引脚分别与两片MCU的自带的硬件增强型UART相连接,实现串口通信。

此外FPGA的UARTTX、UARTRX引脚与MAX3232CSE相连,将TTL电平转换成232电平,使用异步串口与上位机进行通信,电路连接如图7所示。

LED显示模块:由于滚转角度值范围在0度-360度之间,因此使用三位八段数码管可满足使用要求,选用力达公司的LDS-2381共阳数码管,其封装如图8所示。FPGA的八个引脚通过限流电阻与LED的A-G、DP引脚相连,由于LED消耗电流较大,而FPGA的引脚驱动能力不足,因此另外三个片选引脚分别先连接到NPN管的基集,NPN管的发射集再与LED的8、9、12引脚

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