采用FPGA/MCU技术的光电式滚转角测量仪的解决方案

　　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引脚相连，从而提高电流驱动能力。FPGA采用动态扫描方式，通过控制片选引脚使数码管轮流显示个位、十位、百位的数字，每一位的持续时间为8ms，但在人眼看来可产生同时显示的效果。

　　电源模块：光敏三极管偏置电压为9V，FPGA需要3.3V与1.5V联合供电，MCU、FPGA外接有源晶振、LM318D等均为3.3V供电。系统输入电源采用9V直流供电，因此还需使用电源转换模块降至3.3V与1.5V，如图9所示，选取TI公司的TPS76801与TPS76733两种低压差稳压器。TPS76801是单路可调LDO，最大压降仅为230mV，容限为2%，纹波小，适合为FPGA内核供电，通过在OUT引脚、FB引脚与GND之间连接不同阻值的电阻，可灵活设置TPS76801的输出电压为1.5V，阻值计算公式，式中Vref=1.1834V，R24=30.1kΩ，R23=8kΩ。TPS76733也是单路固定输出LDO，输出电压为3.3V，典型压差350mV，每个LM318D仅需消耗1mA左右的电流，EP1C3T144、C8051F310、有源晶振也都是低功耗器件，TPS76733输出电流最大值可达1000mA，能满足系统需求。通过在低压差稳压器的输入端连接0.1mF陶瓷去耦电容改善噪声特性，在输出电压引脚与GND之间连接10mF钽电容稳定芯片内部控制回路，此外在PG或者引脚连接上拉电阻防止芯片自动复位。

　　FPGA/MCU信息处理模块、电源模块、LED显示模块都集中布置在主控板上，其实物如图10所示，主控板与各个光敏接收模块之间通过导线连接，传输采集到的模拟信号并进行供电。