采用FPGA/MCU技術的光電式滾轉角測量儀的解決方案

　　FPGA與MCU的硬件連接如圖6所示，光敏接收模塊的輸出信號A1-A37依次送至FPGA各引腳及MCU的ADC輸入引腳，由于每片C8051F310最多只允許21路ADC輸入，因此使用兩片MCU，MCU A采集A1-A20，MCU B采集A18-A37，其中A18、A19、A20被重疊采集。如果兩片MCU采集的信號互不重疊，比如MCU A采集A1-A18，MCU B采集A19-A37，當滾轉體轉至g18與g19之間時，二者都受到一定強度的紅外光照射，輸出信號A18、A19同時為高電平，則需要將A18的值從MCU A送至MCU B進行集中處理，增加編程工作量，而且由于不是同一芯片的ADC采集到的數據，不排除存在系統誤差的可能性，從而影響滾轉角判斷結果，但采集信號重疊之后，則僅使用MCU A或者MCU B就可單獨進行處理，重疊信號越多處理范圍越廣。FPGA的TXi、RXi(i=0,1)引腳分別與兩片MCU的自帶的硬件增強型UART相連接，實現串口通信。

　　此外FPGA的UARTTX、UARTRX引腳與MAX3232CSE相連，將TTL電平轉換成232電平，使用異步串口與上位機進行通信，電路連接如圖7所示。

　　LED顯示模塊：由于滾轉角度值范圍在0度-360度之間，因此使用三位八段數碼管可滿足使用要求，選用力達公司的LDS-2381共陽數碼管，其封裝如圖8所示。FPGA的八個引腳通過限流電阻與LED的A-G、DP引腳相連，由于LED消耗電流較大，而FPGA的引腳驅動能力不足，因此另外三個片選引腳分別先連接到NPN管的基集，NPN管的發射集再與LED的8、9、12引腳相連，從而提高電流驅動能力。FPGA采用動態掃描方式，通過控制片選引腳使數碼管輪流顯示個位、十位、百位的數字，每一位的持續時間為8ms，但在人眼看來可產生同時顯示的效果。

　　電源模塊：光敏三極管偏置電壓為9V，FPGA需要3.3V與1.5V聯合供電，MCU、FPGA外接有源晶振、LM318D等均為3.3V供電。系統輸入電源采用9V直流供電，因此還需使用電源轉換模塊降至3.3V與1.5V，如圖9所示，選取TI公司的TPS76801與TPS76733兩種低壓差穩壓器。TPS76801是單路可調LDO，最大壓降僅為230mV，容限為2%，紋波小，適合為FPGA內核供電，通過在OUT引腳、FB引腳與GND之間連接不同阻值的電阻，可靈活設置TPS76801的輸出電壓為1.5V，阻值計算公式，式中Vref=1.1834V，R24=30.1kΩ，R23=8kΩ。TPS76733也是單路固定輸出LDO，輸出電壓為3.3V，典型壓差350mV，每個LM318D僅需消耗1mA左右的電流，EP1C3T144、C8051F310、有源晶振也都是低功耗器件，TPS76733輸出電流最大值可達1000mA，能滿足系統需求。通過在低壓差穩壓器的輸入端連接0.1mF陶瓷去耦電容改善噪聲特性，在輸出電壓引腳與GND之間連接10mF鉭電容穩定芯片內部控制回路，此外在PG或者引腳連接上拉電阻防止芯片自動復位。

　　FPGA/MCU信息處理模塊、電源模塊、LED顯示模塊都集中布置在主控板上，其實物如圖10所示，主控板與各個光敏接收模塊之間通過導線連接，傳輸采集到的模擬信號并進行供電。