一種三維納米定位臺控制系統(tǒng)設計

何堅 夏宏 顏錦耀 范賢光

摘要：這篇文章描述了一種三維納米定位臺控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用雙處理器架構，將ARM在邏輯控制、人機交互的優(yōu)勢同F(xiàn)PGA硬件可編程、并行處理的優(yōu)勢互補，再搭載自行設計的高精度ADC電路及DAC電路，完成了對三維納米定位臺的高精度運動控制。

關鍵詞：控制系統(tǒng);納米定位;ARM;FPGA

中圖分類號：TH74 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0171-02

隨著科學技術的飛速發(fā)展。從微生物、細胞、到分子、原子，人類對微觀世界的探索逐漸提高到納米、埃米量級，納米控制技術成為尖端科技研究中的迫切需要。

目前主流的納米定位平臺主要是基于壓電陶瓷來實現(xiàn)，控制系統(tǒng)主要以PC板卡或嵌入式系統(tǒng)為控制核心。采用單片微控制器來實現(xiàn)，會導致占用系統(tǒng)資源太高，難以提高多維度的定位效率。本文設計一種ARM和FPGA相結合的嵌入式控制系統(tǒng)，給出其硬件電路原理和程序?qū)崿F(xiàn)流程，實現(xiàn)了閉環(huán)控制的納米定位臺控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，由主控模塊、ADC數(shù)據(jù)采集模塊、DAC電壓設置模塊、步進電機驅(qū)動模塊及供電模塊等共同構成。步進電機驅(qū)動模塊完成對步進電機的控制實現(xiàn)位置的粗調(diào)整，DAC電壓設置模塊輸出控制電壓，經(jīng)過壓電驅(qū)動器驅(qū)動壓電陶瓷伸縮實現(xiàn)定位，ADC數(shù)據(jù)采集模塊將經(jīng)過信號處理器處理過的電容傳感器的位置信號采集并傳至主控模塊，主控模塊完成各模塊邏輯、時序控制并與上位機通信。

1.2 主控模塊

在主控模塊中，選用ARM公司的STM32H743IIT6作為主控制核心，選用Alter公司的EP3C25Q240C8型號的FPGA作為從控制核心。ARM完成與上位機進行USB通信、任務控制及實現(xiàn)PID控制，F(xiàn)PGA完成對ADC和DAC模塊的時序控制以及步進電機的控制。ARM通過FMC接口與FPGA進行并行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)MC接口電路如圖2。

1.3 ADC數(shù)據(jù)采集模塊

在該模塊中，選用美國Maxim公司推出的一種16bit逐次逼近的串行模數(shù)轉換器MAX195，它轉換速度快、精度高、低功耗。ADC數(shù)據(jù)采集模塊原理圖如圖3，兩級運算放大器OPA227構成信號調(diào)理電路，-10V～+10V輸入模擬信號首先經(jīng)過前級放大器降壓至-5V～+5V，后級放大器再進行信號濾波。濾波得到的模擬電壓量再通過MAX195進行模數(shù)轉換，得到16位數(shù)字量以串行方式傳輸?shù)紽PGA。

1.4 DAC電壓設置模塊

在DAC模塊中，選用美國ADI公司的AD5541，AD5541是一款單通道、低溫漂、16位串行輸入、無緩沖電壓輸出的數(shù)模轉換芯片。DAC電壓設置模塊原理圖如圖4，F(xiàn)PGA將16位的開關量經(jīng)過TLP2630進行光電隔離，以串行方式輸入AD5541完成數(shù)模轉換，輸出0V～+5V（VREF）模擬電壓量，再經(jīng)過AD8512放大后，最終輸出電壓范圍在0V～7.5V。

2 系統(tǒng)軟件設計

在程序設計上，系統(tǒng)上電直接完成軟件和硬件的初始化，然后通過PC端上位機輸入目標位置及移動速度等參數(shù)后傳入ARM，再控制步進電機完成粗定位，到達目標位置附近，由DAC任務實現(xiàn)高精度定位，同時ADC進行實時采集位置傳入反饋環(huán)，進行PID調(diào)整后對DAC進行控制。直到ADC檢測達到目標位置后，定位任務結束。主程序流程圖和PID控制流程圖分別如圖5和圖6。

程序說明：r（n）目標位置值、e（n）當前誤差、e（n-1）上一次誤差、e（n-2）上上次誤差，u（n）輸出DA值。

3 測試結果

設計完成后，對系統(tǒng)硬件電路的主要指標進行測試。對于ADC數(shù)據(jù)采集電路，支持輸入電壓范圍-10V～+10V，最大采樣率為85ksps，靈敏度達到0.3mV。對于DA電壓設置電路，輸出電壓范圍在0V～7.5V，通過設定固定的一組碼值，經(jīng)六位半數(shù)字萬用表測出電壓分辨率和輸出精度均達到16位，穩(wěn)定性好，滿足應用要求。

4 結語

文中設計了一個基于ARM和FPGA雙核心架構的嵌入式控制系統(tǒng)用于控制三維納米掃描臺?？朔薃RM順序執(zhí)行、FPGA邏輯控制不便等的缺點，采用16位的AD和DA芯片，設計了高靈敏度的數(shù)據(jù)采集電路和高精度的電壓設置電路，在軟件上采用PID算法完成了定位運動的閉環(huán)控制，整體達到了納米定位控制系統(tǒng)的要求。

參考文獻

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