采用FPGA/MCU技術的光電式滾轉角測量儀的解決方案

本文設計基于FPGA/MCU的光電式滾轉角測量儀，安裝于實驗轉臺上，實時輸出滾轉角度值，為彈體的滾轉角測量提供對照基準，并可與上位機進行通信，將數據傳送到主機中進行后續處理。

　　系統整體方案

　　滾轉角測量儀物理架構如圖1、2所示。a為滾轉體，可沿軸向做360度旋轉，在滾轉體上某固定位置安裝紅外發光二極管k，光束方向沿截面徑向朝外；b為側支架，為了減少環境光線的干擾，采用封閉式設計，沿支架周向均勻安裝n個光敏接收電路gl-gn，n值視所需測量精度而定；當滾轉體旋轉到某角度時，延徑向發射紅外光，側支架上的光敏三極管對其進行接收，把光信號轉換為電壓信號，經過處理之后送給主控板，主控板通過判斷是哪個光敏三極管接收到了信號來確定滾轉角度，滾轉體也可能會剛好旋轉到兩個光敏三極管之間，導致二者同時接收到光信號，此時可對信號進行AD轉換，然后通過相應算法對轉換值進行處理，從而解算出滾轉角。

　　系統硬件設計

　　滾轉角測量儀的硬件框圖如圖3所示，包括紅外光發射模塊、光敏接收模塊、FPGA/MCU信息處理模塊、電源模塊、LED顯示模塊等，以下分別進行具體介紹。

　　紅外光發射模塊選用方向性較強的窄角度紅外發光二極管PH303，波長0.94mm，通過510Ω限流電阻與彈上的陀螺儀或者磁探測模塊相連接，當滾轉體轉到某角度時由單片機控制其持續發光。由于發光二極管與光敏接收模塊之間的距離較短，僅有3~4cm，因此采用小功率直射方式便可滿足要求。

　　光敏接收模塊采用UNI公司的NPN光敏三極管MID-32A22，接收光波長也為0.94mm。接收模塊電路如圖4所示，實物如圖5所示，Q1為光敏三極管，LM358D為雙通道集成運算放大器。在Q1上施加9V的偏置電壓，保證集電結處于反向偏置，發射結處于正向偏置。室溫條件下，當受到紅外光照射時，發射集的輸出電流與入射光強度呈線性關系，范圍在1.5~2mA之間，R4取值為330Ω，則LM358D的引腳5輸入電壓在0.5~0.66V之間。前級運放搭建成同相比例放大器，取R1=1kW，R2=5kW，放大倍數為(1+5/1)=6倍，則引腳7的輸出電壓在以上。后級運放搭建成一階低通有源濾波器，取R3=15.8kW，C1=0.1mF，截止頻率為100Hz。Ax(x=1-n)為經過光電轉換及信號調理之后的輸出信號，本系統中n取值為37，即在側支架上沿周向均勻安裝37個光敏接收模塊。當Q1接收到足夠強度的入射紅外光時Ax輸出為高電平，沒有受到入射光照射時保持為低電平，信號直接送至FPGA/MCU信息處理模塊的相應引腳。

　　FPGA/MCU信息處理模塊：FPGA作為主處理器，兩片MCU作為協處理器，FPGA與MCU及上位機之間均使用串口通信方式。

　　FPGA采用Altera公司的EP1C3T144，具有2910個邏輯單元，可用IO引腳達104個，集成1個PLL模塊，使用與1.5V聯合供電，上電次序可任意配置，可靈活選擇使用主動串行方式或者JTAG方式進行調試，外接50MHz有源晶振為芯片提供基準頻率。

　　MCU選用Cygnal公司的C8051F310，工作電壓2.7V~3.6V，最高工作頻率可達25MHz，提供1280字節RAM和16Kb FLASH，29個耐5V電壓的可配置IO引腳，片內集成21路10位200KSPS ADC及硬件增強型UART，可使用Silicon lab2線調試方式。