高壓控制系統

靜電力驅動有着功耗低、響應時間短、宜於完成高頻率的驅動而且結構易於實現的特點，從而廣泛應用於微變形鏡、微型光譜儀、微陀螺、微諧振器等MEMS器件。然而採用靜電力驅動器件常常需要十分高的恆壓電源，所以可以設計一種高壓控制系統，滿足驅動要求，使得微機械傳感器的器件廣泛使用 ^[1]  。

高壓控制系統的工作原理為：上位機根據相應的公式計算出靜電力驅動所需的控制電壓，經過USB，傳輸給數字信號處理器來控制D/A轉換芯片輸出，D/A轉換後輸出電壓經過高壓放大施加到微傳感器電極上。圖1為控制系統原理圖。

高壓控制系統主要實現以下功能：

1、通訊功能：通過USB模塊實現微機械傳感器與上位機程序之間的數據傳遞。

2、控制功能：採用數字信號處理模塊按照傳輸數據控制轉換器輸出靜電力驅動所需電壓。

3、放大功能：將電壓同步放大至滿足靜電力驅動所需範圍。

數字信號處理模塊由定點數字信號處理器TMS320F2812和D/A轉換器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，十分適合於大批量數據處理的控制場合。而AD5381是一款理想的多通道數模轉換器，它具有40個數模轉換通道，12位的分辨率，具備並行、串行以及I2C三種數據傳輸方式，單通道轉換時間可以達到30ns，可以滿足模塊要求。

USB模塊選用Cypress公司的CY7C68013，該芯片具有以下優點¨1：數據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用於數據緩衝，當作為從設備時可採用同步或異步FIFO方式與DSP進行連接。

高壓放大模塊採用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，可以滿足靜電力驅動的要求，因此該芯片廣泛應用於MEMS靜電力驅動。

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

採用CY7C68013是一個非常方便的USB2.0實現方案，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，採用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中的數據時，首先判斷GPIOB2(FLAGB)的電平，如果為高，説明PC有數據下發到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寫數據時，DSP判斷GPIOB3(FLAGC)的電平，當該電平為高，説明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。

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

控制系統的軟件主要包括兩個方面：USB程序和DSP2812控制系統程序。

USB程序的設計主要包含：固件程序、驅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、數據的接受與發送以及外圍電路的控制。首先初始化內部狀態變量，然後調用用户初始化函數。從該函數返回後，初始化USB接口到未配置狀態並使能中斷。然後每隔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，固件程序將開始交互的任務調度。在本方案中選擇68013工作於異步從屬FIFO模式，將其FIFO對應到EndPoint2和End—Point6，其中EndPoint2為OUT型，從主機接受數據；EndPoint6為IN型，向主機發送數據。傳輸採用塊(Bulk)傳輸方式，在初始化函數中設置芯片工作方式。

Windows平台的USB驅動程序由3部分組成：USB主控制器驅動程序、USB總線驅動程序以及USB設備驅動程序。其中USB主控制器驅動程序和USB總線驅動程序封裝在操作系統中，由微軟公司提供。而USB設備驅動程序則採用Cypress公司提供的通用驅動程序，經過DDK編譯後直接使用。

主機端應用程序主要在PC機上採用VC++6.0編寫，要完成數據的傳輸，只需要調用幾個函數即可。

DSP主機控制模塊由幾個子模塊構成：

1、初始化模塊，在系統上電後執行一次，通過該模塊來初始化系統硬件寄存器、數據結構及全局變量；

2、通信模塊，通過判斷標誌位來觀察是否有數據下發到USB芯片的緩衝區，繼而讀取數據。

3、緩衝模塊，當數據比較多時，DSP芯片一次處理不過來，將數據先存入緩衝區，當一批數據處理完後，再繼續處理下一批數據。

4、D/A轉換模塊，DSP芯片讀取通過USB傳輸過來的數據後，控制D/A轉化芯片進行轉換。

搭建如圖4所示的測試系統來檢測控制系統的性能。

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