高壓控制系統(tǒng)硬件

高壓控制系統(tǒng)數(shù)字信號處理模塊

數(shù)字信號處理模塊由定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812和D/A轉(zhuǎn)換器AD5381組成，其中2812具有高的處理速度、強大的處理功能，時鐘頻率可達150MHz，片上包含有128k的Flash、128k的ROM以及18k的RAM，滿足程序編寫的需要，同時還包含豐富的外設接口和事件管理器，十分適合于大批量數(shù)據(jù)處理的控制場合。而AD5381是一款理想的多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它具有40個數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，12位的分辨率，具備并行、串行以及I2C三種數(shù)據(jù)傳輸方式，單通道轉(zhuǎn)換時間可以達到30ns，可以滿足模塊要求。

高壓控制系統(tǒng)USB模塊

USB模塊選用Cypress公司的CY7C68013，該芯片具有以下優(yōu)點¨1：數(shù)據(jù)吞吐量在高速傳輸模式下傳輸速率可達480 Mb/s，全速模式下傳輸速率達到12Mb/s，滿足傳輸需求；具有大容量的FIFO用于數(shù)據(jù)緩沖，當作為從設備時可采用同步或異步FIFO方式與DSP進行連接。

高壓控制系統(tǒng)高壓放大模塊

高壓放大模塊采用SUPERTEX公司的HV256芯片，該芯片具有32個獨立的高壓放大器，因此輸出電壓最大可達到295V，可以滿足靜電力驅(qū)動的要求，因此該芯片廣泛應用于MEMS靜電力驅(qū)動。

高壓控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

1、通訊功能：通過USB模塊實現(xiàn)微機械傳感器與上位機程序之間的數(shù)據(jù)傳遞。

2、控制功能：采用數(shù)字信號處理模塊按照傳輸數(shù)據(jù)控制轉(zhuǎn)換器輸出靜電力驅(qū)動所需電壓。

3、放大功能：將電壓同步放大至滿足靜電力驅(qū)動所需范圍。

高壓控制系統(tǒng)的工作原理為：上位機根據(jù)相應的公式計算出靜電力驅(qū)動所需的控制電壓，經(jīng)過USB，傳輸給數(shù)字信號處理器來控制D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出，D/A轉(zhuǎn)換后輸出電壓經(jīng)過高壓放大施加到微傳感器電極上。圖1為控制系統(tǒng)原理圖。

靜電力驅(qū)動有著功耗低、響應時間短、宜于完成高頻率的驅(qū)動而且結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)的特點，從而廣泛應用于微變形鏡、微型光譜儀、微陀螺、微諧振器等MEMS器件。然而采用靜電力驅(qū)動器件常常需要十分高的恒壓電源，所以可以設計一種高壓控制系統(tǒng)，滿足驅(qū)動要求，使得微機械傳感器的器件廣泛使用 。

控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括DSP2812最小系統(tǒng)電路、DSP與USB芯片68013的信號通訊電路、DSP與D/A轉(zhuǎn)換芯片的連接電路。

高壓控制系統(tǒng)CY68013與DSP2812的硬件電路

采用CY7C68013是一個非常方便的USB2.0實現(xiàn)方案，68013與DSP的連接方法有兩種：可編程的GPIF主控方式和Slave FIFO方式。在本設計中，采用Slave FIFO方式，異步讀寫。在這種方式下DSP可以像讀寫普通FIFO一樣對CY7C68013進行讀寫，DSP2812與68013的連接如圖2所示。

DSP讀取USB中的數(shù)據(jù)時，首先判斷GPIOB2(FLAGB)的電平，如果為高，說明PC有數(shù)據(jù)下發(fā)到68013中，可以進行讀操作，在進行讀操作時將FIFOADR[0：1]位置低，從而選擇EP2端口。同時將SLCS與SLOE同時置低。DSP向USB寫數(shù)據(jù)時，DSP判斷GPIOB3(FLAGC)的電平，當該電平為高，說明FIFO中還沒有寫滿，可以進行寫操作，在進行寫操作時將FIFOADR第0位置為低、第1位置高，從而選擇EP6端口同時將SLCS置低、SLOE置高。

高壓控制系統(tǒng)DSP與AD5381的硬件連接

AD5381的數(shù)據(jù)輸入直接與DSP2812的數(shù)據(jù)線連接，DSP的地址線的低六位A0-A5來控制DA轉(zhuǎn)換芯片的通道選擇，AD5381的CS管腳和LDAC管腳由數(shù)字信號處理器的地址線的高兩位經(jīng)過地址解碼器來控制。數(shù)字信號處理器與AD5381的連接如圖3所示。

控制系統(tǒng)的軟件主要包括兩個方面：USB程序和DSP2812控制系統(tǒng)程序。

高壓控制系統(tǒng)USB程序設計

USB程序的設計主要包含：固件程序、驅(qū)動程序和主機端應用程序。固件程序是運行在CY7C68013上的程序，其主要功能包括初始化，包括設置一些特殊功能寄存器的初值、輔助硬件完成設備的重新列舉過程、處理中斷請求、數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送以及外圍電路的控制。首先初始化內(nèi)部狀態(tài)變量，然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)。從該函數(shù)返回后，初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔1s進行一次設備重枚舉，直到端點0接受到一個SETUP包。一旦檢測到SETUP包，固件程序?qū)㈤_始交互的任務調(diào)度。在本方案中選擇68013工作于異步從屬FIFO模式，將其FIFO對應到EndPoint2和End—Point6，其中EndPoint2為OUT型，從主機接受數(shù)據(jù)；EndPoint6為IN型，向主機發(fā)送數(shù)據(jù)。傳輸采用塊(Bulk)傳輸方式，在初始化函數(shù)中設置芯片工作方式。

Windows平臺的USB驅(qū)動程序由3部分組成：USB主控制器驅(qū)動程序、USB總線驅(qū)動程序以及USB設備驅(qū)動程序。其中USB主控制器驅(qū)動程序和USB總線驅(qū)動程序封裝在操作系統(tǒng)中，由微軟公司提供。而USB設備驅(qū)動程序則采用Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序，經(jīng)過DDK編譯后直接使用。

主機端應用程序主要在PC機上采用VC 6.0編寫，要完成數(shù)據(jù)的傳輸，只需要調(diào)用幾個函數(shù)即可。

高壓控制系統(tǒng)DSP程序設計

DSP主機控制模塊由幾個子模塊構(gòu)成：

1、初始化模塊，在系統(tǒng)上電后執(zhí)行一次，通過該模塊來初始化系統(tǒng)硬件寄存器、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及全局變量；

2、通信模塊，通過判斷標志位來觀察是否有數(shù)據(jù)下發(fā)到USB芯片的緩沖區(qū)，繼而讀取數(shù)據(jù)。

3、緩沖模塊，當數(shù)據(jù)比較多時，DSP芯片一次處理不過來，將數(shù)據(jù)先存入緩沖區(qū)，當一批數(shù)據(jù)處理完后，再繼續(xù)處理下一批數(shù)據(jù)。

4、D/A轉(zhuǎn)換模塊，DSP芯片讀取通過USB傳輸過來的數(shù)據(jù)后，控制D/A轉(zhuǎn)化芯片進行轉(zhuǎn)換。

搭建如圖4所示的測試系統(tǒng)來檢測控制系統(tǒng)的性能。

該測試系統(tǒng)采用He—Ne激光器作為光源，發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡反射后，打到微變形鏡鏡面上，經(jīng)過微鏡鏡面的反射激光由Hartmann波前傳感器進行探測，上位機程序根據(jù)探測偏差以及測定的微變形鏡光學影響函數(shù)，計算出要矯正偏差所需的電極電壓，通過控制和驅(qū)動系統(tǒng)施加給微變形鏡電極上，來控制微變形鏡矯正畸變波。

2、適用范圍：A型：環(huán)氧煤瀝青

B型：石油瀝青

C型：環(huán)氧煤瀝青、石油瀝青

3、輸出高壓：A型：0.5-15KV

B型：15-35KV

C型：0.5-35KV

4、顯示：指針式

5、高壓控制系統(tǒng)：普通電位器調(diào)節(jié)

6、直流供電：12v

7、功耗：<5w

8、報警延時：1-2秒

9、高壓槍：微電子高壓發(fā)生器

10、包裝：金屬箱

11、主機尺寸： 165mm×155mm×68mm

12、主機重量：1.5kg（含電池）