一種三維納米定位臺控制系統設計

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。本系統采用雙處理器架構，將ARM在邏輯控制、人機交互的優勢同FPGA硬件可編程、并行處理的優勢互補，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;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，控制系統主要以PC板卡或嵌入式系統為控制核心。采用單片微控制器來實現，會導致占用系統資源太高，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，給出其硬件電路原理和程序實現流程，實現了閉環控制的納米定位臺控制系統。

1 系統硬件

1.1 系統硬件架構

系統硬件結構如圖1所示，由主控模塊、ADC數據采集模塊、DAC電壓設置模塊、步進電機驅動模塊及供電模塊等共同構成。步進電機驅動模塊完成對步進電機的控制實現位置的粗調整，DAC電壓設置模塊輸出控制電壓，經過壓電驅動器驅動壓電陶瓷伸縮實現定位，ADC數據采集模塊將經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PID控制，FPGA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進行并行數據傳輸，FMC接口電路如圖2。

1.3 ADC數據采集模塊

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轉換器MAX195，它轉換速度快、精度高、低功耗。ADC數據采集模塊原理圖如圖3，兩級運算放大器OPA227構成信號調理電路，-10V～+10V輸入模擬信號首先經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進行模數轉換，得到16位數字量以串行方式傳輸到FPGA。

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模轉換芯片。DAC電壓設置模塊原理圖如圖4，FPGA將16位的開關量經過TLP2630進行光電隔離，以串行方式輸入AD5541完成數模轉換，輸出0V～+5V（VREF）模擬電壓量，再經過AD8512放大后，最終輸出電壓范圍在0V～7.5V。

2 系統軟件設計

在程序設計上，系統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任務實現高精度定位，同時ADC進行實時采集位置傳入反饋環，進行PID調整后對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，對系統硬件電路的主要指標進行測試。對于ADC數據采集電路，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，經六位半數字萬用表測出電壓分辨率和輸出精度均達到16位，穩定性好，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用于控制三維納米掃描臺。克服了ARM順序執行、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據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控制，整體達到了納米定位控制系統的要求。

參考文獻

[1] 魏強.納米定位微位移工作臺的控制技術研究[D].山東大學，2006.

[2] 李瑞君，趙文楷，何園濤，黃強先.一維納米定位控制系統[J].紅外與激光工程，2018，47（10）：334-339.

[3] 嚴亮，舒志兵.基于ARM+FPGA的機器人多軸運動控制器的設計與研究[J].機床與液壓，2019，47（11）：12-18.