基于MEMS 微鏡的混合式掃描同步設計*

周 玨 ，吳東岷

（1.中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

激光掃描在激光雕刻、激光雷達、激光精密打標等領域都有廣泛的應用。目前激光掃描方式主要分為振鏡掃描、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微鏡掃描以及轉鏡掃描[1]。

振鏡掃描是指振鏡電機帶動反射鏡偏轉，進而使入射到反射鏡表面的光束發生偏轉，實現掃描[2]。振鏡掃描方式由于其機械結構導致其掃描速度較慢，掃描頻率一般為20 Hz 左右，掃描角度一般為20°×20°。

MEMS 微鏡采用微機電系統工藝，相比機械振鏡具有體積小、諧振頻率高、光學特性好的優點[3]，由于其工作在諧振頻率處，快軸掃描頻率能達到27 kHz，掃描角度一般為40°×10°[4]。

轉鏡掃描是一種比較常見的機械掃描方式，其物面掃描點的形狀是線狀的。有些商業LIDAR（Light Detection and Ranging）系統采用這種方式。轉鏡掃描具有轉速高、掃描速度大、穩定性好的優點[5]。但轉鏡相比MEMS 微鏡，掃描圖像分辨率較低。

為了增大MEMS 微鏡掃描的角度，因此提出同步掃描方案。目前關于同步掃描的研究主要還是基于振鏡與轉鏡的同步，沈辰弋[6]提出了一種振鏡與步進電機帶動的轉鏡同步掃描方案，其同步掃描通過等待零位置實現，掃描角度為30°×60°。謝機有[7]提出了一種振鏡與無刷電機帶動的轉鏡掃描方案，但未進行同步設計。

本文基于MEMS 微鏡的激光掃描特性，設計了MEMS 微鏡與無刷電機的同步方案，可以實現40°×180°掃描。

1 系統總體設計與工作原理

1.1 系統結構

系統結構如圖1 所示。本設計由STM32F407 微控制器、MEMS 微鏡驅動電路以及相位檢測電路三部分組成。由于MEMS 微鏡采用電磁驅動，且需要工作在諧振頻率處[8]，因此MEMS 微鏡的驅動信號需要具有頻率精度高的特點，為了實現MEMS 微鏡與無刷電機的同步，驅動信號還需要具備相位可調的特點，因此，本設計采用直接數字頻率合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）產生微鏡驅動信號。STM32 通過SPI 接口與DDS 進行通信，DDS 輸出經濾波放大后驅動MEMS 微鏡振動。相位檢測電路完成對微鏡反饋信號與無刷電機反饋信號的調理。無刷電機由PWM 波進行驅動，可通過改變PWM波占空比實現對電機速度的控制[9]。

圖1 系統結構圖

1.2 系統工作原理

系統工作原理如圖2 所示。MEMS 微鏡在驅動信號的作用下，會產生正弦反饋信號。微鏡反饋信號經過零比較器產生方波信號，方波信號的跳變沿則標志著微鏡過零點的時刻。無刷電機裝有光柵碼盤，當無刷電機轉動時，光柵碼盤會使光電傳感器產生方波反饋信號，STM32會對方波信號進行處理，獲取電機此刻的轉動速度以及原點位置。為了能夠得到穩定的相位差，需要通過PID算法對電機轉速進行控制，使光電傳感器產生穩定的方波信號，同時還需對過零比較器產生的方波信號進行分頻處理，獲得與電機反饋同頻的方波信號。STM32 計算兩路反饋信號上升沿的時間差得到相位差，通過調節DDS驅動信號的相位，便可使相位差趨近于0，實現同步掃描的目的。

圖2 系統工作原理圖

2 系統硬件設計

2.1 DDS 原理與驅動電路設計

驅動電路主要是為了產生MEMS 微鏡的驅動信號，使微鏡在諧振頻率處振動。本設計采用DDS 作為微鏡的信號源，其具有精度高，信號靈活可調的優點[10]。

DDS 主要組成部分是：相位累加器、波形存儲器、數模轉換器和時鐘模塊[11]。其原理是：在系統時鐘的作用下，相位累加器會對頻率控制字（Frequency Tuning Word，FTW）進行累加，而相位累加器的輸出會作為尋址地址去波形存儲器中查找數據并送入DAC（Digital-to-Analog Converter）進行D/A 轉換。在系統時鐘為500 MHz、相位累加器為32 位寬、相位偏移寄存器為14 位寬時，產生正弦信號的DDS 工作原理圖如圖3 所示。

圖3 DDS 原理框圖

DDS 的輸出取決于頻率控制字、相位控制字以及系統時鐘。在系統時鐘一定的情況下，頻率控制字越大，DDS 輸出頻率則越大。相位控制字（Phase Offset Word，POW）越大，則DDS 輸出信號的相位偏移越大。本設計中，DDS芯片時鐘為500 MHz，其輸出頻率精度能達到0.12 Hz。其關系式如下：

式中，fs為系統時鐘頻率，232代表相位累加器的容量，fout為系統輸出頻率。

式中，? 代表輸出相位偏移量，214代表相位偏移寄存器最大值。

由于DDS 是數字器件，其輸出信號是階梯狀的，內部含有較多高次諧波，為了得到較為平滑的波形信號，需要設計低通濾波器對這些高頻分量進行濾除[12]。針對DDS 技術中輸出波形的頻譜結構及濾波器的傳輸特性[13]，為此本文設計七階巴特沃斯低通濾波器。電路圖如圖4 所示。

圖4 七階巴特沃斯濾波器電路圖

DDS 芯片對外提供SPI 接口，STM32 通過SPI 接口完成對DDS 的初始化以及輸出信號頻率、相位的配置[14]。

2.2 相位檢測電路設計

相位檢測電路的主要功能是實現MEMS 微鏡與無刷電機的同步掃描。其核心電路則是實現高精度的過零比較，本設計比較器采用LM393 芯片實現[15]，單電源供電下電路圖如圖5 所示。電機反饋信號由光電傳感器產生，光柵碼盤采用上下兩層設計，上層用于電機轉速的測量，下層則用于電機原點位置的標記，設計結構如圖6 所示。

圖5 單電源供電下過零比較電路圖

圖6 上層光柵碼盤結構圖

相位差檢測的原理是通過STM32 定時器通道1 與通道2 的輸入捕獲功能對微鏡反饋信號與電機反饋信號進行上升沿捕獲，在配置完定時器頻率后，通過計算兩路捕獲寄存器的差值，便可得到上升沿的時間差。假設通道1 發生上升沿捕獲，記錄此時通道1 捕獲寄存器值C1 并標記通道1 已發生捕獲，若通道2 隨后發生上升沿捕獲，則記錄此時通道2 捕獲寄存器值C2，同時對定時器計數值置0。而C2-C1 便為兩信號上升沿時間差，進而可通過信號頻率計算出相位差。在定時器計數頻率為1 MHz 的條件下，相位差計算公式如下：

式中φ 為相位差，單位為弧度；f 則是反饋信號頻率。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包含以下幾個模塊：DDS 驅動模塊、電機驅動模塊、PID 控制模塊[16]以及串口通信模塊。系統相位控制軟件工作流程圖如圖7 所示。

圖7 系統軟件設計流程圖

系統上電完成初始化后會對DDS 進行配置，主要設置DDS 輸出正弦信號的頻率、幅值以及相位，之后便配置STM32F407 芯片輸出PWM 波驅動無刷電機轉動。由定時器輸入捕獲功能計算得到相位差，通過改變PWM波占空比可以控制電機轉動速度，設置DDS 芯片輸出正弦信號的相位偏移量可以減小相位差。

4 測試結果與誤差分析

實驗裝置如圖8 所示，實驗擬合了無刷電機響應曲線，測試了PID 控制效果以及相位誤差。

圖8 實驗裝置圖

在PWM 波頻率為100 Hz 下，PWM 波占空比與無刷電機轉速之間的關系如圖9 所示。

圖9 無刷電機PWM 響應線性擬合曲線

根據無刷電機PWM 響應線性擬合結果，對PID 參數進行調試，在比例系數Kp=10、微分系數為Ki=0.8 的情況下，系統上升時間約為2.2 s，調節時間約為5 s，PID響應曲線如圖10 所示。

圖10 PID 響應曲線

在反饋信號周期為9.274 ms 的條件下，對相位誤差進行分析，實驗結果如圖11 和表1 所示。

圖11 采樣點為1 000 的相位誤差圖

由表1 可知，系統最大誤差不超過0.138 ms，相位誤差不超過1.5%，誤差產生的原因可能有以下兩點：

表1 相位控制誤差數據

（1）光柵碼盤精度不夠高。光柵碼盤的細分精度直接影響無刷電機測速精度，進而導致相位測量不準確。

（2）光柵碼盤的安裝存在機械誤差，這會使光電傳感器產生的信號不均勻，從而引起相位測量不準確。

5 結論

本文針對MEMS 微鏡掃描存在的缺點設計了MEMS微鏡與無刷電機同步掃描系統。本文首先根據MEMS 微鏡的工作特性設計了DDS 驅動電路，其次通過設計光柵碼盤完成了無刷電機速度的測量，由相位檢測電路得到兩路同頻的方波信號，最后對系統進行軟件設計得到相位差并進行控制。實驗表明系統相位差不超過1.5%，在一定程度上滿足同步掃描要求，為后續激光掃描應用提供基礎。