袁 云，馬建設(shè)，董朝喜，劉向明

（1.武漢工程大學(xué) 湖北 武漢 430073，2.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

音圈電機(jī)（Voice Coil Motor，VCM）屬于特種直線電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)快、精度高、可靠性高等特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、透鏡聚焦和航天儀器等精密定位系統(tǒng)[1]。VCM的啟動(dòng)電流、最大行程和靈敏度作為其重要性能指標(biāo)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用起著決定性作用。對(duì)其指標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)是微位移測(cè)量。

由于對(duì)VCM測(cè)量精度和測(cè)量速度要求的提高，文中根據(jù)激光三角原理，采用德國(guó)米依公司的ILDl401-5激光位移傳感器獲取VCM位移信號(hào)。STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理單元，實(shí)現(xiàn)VCM的恒流驅(qū)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)后續(xù)處理及其結(jié)果顯示采用NI-LabVIEW虛擬平臺(tái)，開發(fā)設(shè)計(jì)VCM關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

VCM特性測(cè)試系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，由VCM、激光位移傳感器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4部分組成。

圖1 VCM測(cè)控系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of control system hardware

系統(tǒng)采用上、下位機(jī)通信方案完成人機(jī)交互與控制算法、數(shù)據(jù)處理以及圖形輸出顯示。系統(tǒng)開始工作時(shí)由操作者按下開始鍵后上位機(jī)發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)給下位機(jī)，下位機(jī)接收到該信號(hào)后輸出0~100 mA電流給VCM，每給一次電流，單片機(jī)采集傳感器串口傳輸?shù)奈灰茢?shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波算法后將電流值與相應(yīng)的位移值打包并通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)解包、處理、顯示。

1.1 位移傳感器

選用德國(guó)MICRO—EPSILON公司的ILDl401-5型高精度三角反射式激光位移傳感器來(lái)測(cè)量微位移。該傳感器采用激光三角原理，激光發(fā)射器發(fā)出激光投射到被測(cè)表面上，傳感器利用反射回來(lái)的激光在位置傳感元件上成像，內(nèi)部集成的控制器通過(guò)位移傳感器上所成像的位置依據(jù)激光三角原理計(jì)算出相應(yīng)的位移值，并把該位移值以模擬信號(hào)（電流）和數(shù)字信號(hào)（RS232）以38 400波特率從相應(yīng)引腳輸出。其主要的特性有：測(cè)量范圍：5 mm（22.5±2.5）；靜態(tài)分辨率為:0.6 μm；動(dòng)態(tài)分辨率為（1 kHz）：3 μm；采樣率為：1 kHz；發(fā)射的激光波長(zhǎng)為670 nm；11~30 V直流供電；輸出為4~20 mA模擬電流和RS232數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部集成處理器采集、處理以及發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要包括VCM恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，串口通信電路設(shè)計(jì)，電源電路設(shè)計(jì)四大部分。

1.2.1 VCM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

VCM驅(qū)動(dòng)[4]選用AD公司的AD5821VCM專用驅(qū)動(dòng)芯片，AD5821是十位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最高吸入電流可達(dá)120 mA，供電電壓為2.7~5.5 V，DAC是通過(guò)I2C協(xié)議兩線控制，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)400 kHz。AD5821主要應(yīng)用于手機(jī)拍攝相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和便攜式攝像機(jī)中的自動(dòng)對(duì)焦、圖像穩(wěn)定及光學(xué)變焦等[5]。該芯片有九個(gè)引腳，VDD為電源引腳接3.3 V電源，SDA，SCL分別為I2C通信的數(shù)據(jù)引腳和時(shí)鐘引腳，設(shè)計(jì)時(shí)必須接個(gè)上拉電阻將此兩個(gè)引腳上拉到1.8 V；Isink為D/A轉(zhuǎn)換的電流輸出引腳；XSHUTDOWN為系統(tǒng)掉電信號(hào)，低電平有效，一旦此信號(hào)為低則系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，要回到工作狀態(tài)需給該引腳一個(gè)高電平；AGND和DGND分別為模擬地和數(shù)字地，在電路板布線時(shí)盡量在接近芯片的地方把模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接[6]。

1.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用STC12C5A60S2，該系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單周期/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，代碼完全兼容 8051，但速度快8-12倍。它擁有兩個(gè)全雙工串行通信接口，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)傳感器和單片機(jī)，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路，單片機(jī)，復(fù)位電路，供電4部分。其重點(diǎn)是晶振的選擇，因?yàn)閭鞲衅靼l(fā)送數(shù)字信號(hào)的波特率為38 400，為了使串口傳輸誤差為零，減少數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中出錯(cuò)，選用14.7456 MHz晶振，實(shí)現(xiàn)串口的零誤差數(shù)據(jù)傳輸。

1.2.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

通訊模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)和上位機(jī)的通信，單片機(jī)和傳感器的通信，兩者都是通過(guò)串口通信。其電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX2323芯片。該芯片是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2個(gè)發(fā)送器、2個(gè)接收器，可以實(shí)現(xiàn)兩組信號(hào)的相互通信。

1.2.4 電源電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)電路板供電包括，單片機(jī)供電3.3 V，AD5821 3.3 V供電和I2C數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線上1.8 V的上拉電壓，傳感器24 V供電。系統(tǒng)供電選用開關(guān)電源AC220V輸入，DC5V和24 V輸出，3.3 V供電由LT1529-3.3和 AMS117-3.3穩(wěn)壓得到。1.8 V電壓由AMS117-1.8芯片將3.3 V電壓穩(wěn)壓成1.8 V。

單片機(jī)最小系統(tǒng)及VCM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

測(cè)試系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩大部分，下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)VCM的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)初步處理打包以及將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)；上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后處理、特性曲線的繪制、特性參數(shù)的計(jì)算以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。軟件總的構(gòu)成如圖3所示。

2.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件主要包括VCM控制模塊、數(shù)據(jù)采集以及通訊模塊、數(shù)據(jù)初步處理模塊。

2.1.1 VCM控制模塊

VCM的恒流控制是通過(guò)AD5821芯片實(shí)現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)10位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)字量0-1023對(duì)應(yīng)的輸出電流為0~120 mA。將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)模擬電流輸出來(lái)控制VCM。數(shù)字量寫入AD5821是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口協(xié)議。由寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖可以知道，單片機(jī)寫數(shù)據(jù)到AD5821步驟如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)首先發(fā)起始信號(hào)，再寫入七位器件地址和一位讀寫控制位，AD5821給一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，寫入給定電流的高八位，AD5821給一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，寫入給定電流的低八位，AD5821給一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，最后由單片機(jī)給一個(gè)終止信號(hào)。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集及通訊模塊

數(shù)據(jù)采集就是在給定VCM電流后，利用串口從傳感器中讀取相應(yīng)電流的位移值。傳感器以波特率38 400發(fā)送實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過(guò)串口以38 400波特率接收。通訊就是下位機(jī)將處理后的位移值和電流值以約定格式的數(shù)據(jù)包傳遞給上位機(jī)。格式為HXXXXXXXT，每個(gè)數(shù)據(jù)包以H開頭，緊接著七個(gè)數(shù)據(jù)位（三位電流位和四位位移位），以T結(jié)束。方便上位機(jī)判斷接收的數(shù)據(jù)包是否是正常。

2.1.3 數(shù)據(jù)初步處理模塊

數(shù)據(jù)初步處理模塊包括將從傳感器中讀到的高八位和低八位合并成十六位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的位移值，并經(jīng)過(guò)一定的數(shù)字濾波算法（中值均值濾波），最后將電流和位移按照數(shù)據(jù)通信模塊中的格式打包。傳感器發(fā)出的數(shù)字信號(hào)由高八位和低八位兩個(gè)字節(jié)組成，其中高字節(jié)最高位為1，緊接著是數(shù)據(jù)的高七位；低八位的最高位是0，緊接著是數(shù)據(jù)的低七位。判斷接收到高低八位之后，去掉高低字節(jié)的標(biāo)志位并將數(shù)據(jù)合并成十四位數(shù)據(jù)。再將所得數(shù)據(jù)按中值均值濾波算法處理。即連續(xù)采集十次位移數(shù)據(jù)后按從大到小將數(shù)據(jù)排列，去掉最大值和最小值，求取中間八個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為有效值。這樣可以抗尖峰干擾，得到相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，使曲線平滑。再將所得到的數(shù)據(jù)和給定的電流值打包成規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過(guò)串口傳遞給上位機(jī)。

圖2 最小系統(tǒng)及VCM驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.2 The minimum system and VCM driver schematic diagram

圖3 系統(tǒng)軟件框架Fig.3 System software framework

2.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化的程序語(yǔ)言作為軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，尤其使用其進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀器系統(tǒng)時(shí)，可大大提高開發(fā)效率。

2.2.1 數(shù)據(jù)通信模塊

串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，通過(guò)RS232串口總線與PC計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)，是目前虛擬儀器的重要構(gòu)成方式之一，主要用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)，具有接口簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)[3]。LabVIEW提供了強(qiáng)大的串行通信VISA庫(kù)，其主要的VI函數(shù)介紹如下：VISA配置串口：初始化VISA resource name指定的串口通信參數(shù)（波特率，數(shù)據(jù)位，奇偶位，起始位，停止位等）；VISA寫入：將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的串口；VISA讀取：將VISA指定的串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中；VISA Bytes at Serial Port:查詢指定串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；VISA關(guān)閉：結(jié)束指定串口資源之間的會(huì)話。設(shè)置好各項(xiàng)通信參數(shù)后，將這些VI彼此按設(shè)計(jì)流程連接就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理及顯示模塊

該模塊包括從串口讀取數(shù)據(jù)的判斷解析，數(shù)據(jù)的處理（各特性參數(shù)的計(jì)算），圖形顯示。數(shù)據(jù)判斷保證從串口傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)是下位機(jī)傳送的正常數(shù)據(jù)，因?yàn)橄挛粰C(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的格式是HXXXXXXXT，上位機(jī)接到數(shù)據(jù)后首先利用字符串截取VI提取最高位和最低位并判斷是否是H和T，如果是就認(rèn)為下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)正常，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)接收異常放棄此次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)解析：將打包的數(shù)據(jù)利用字符串截取函數(shù)提取數(shù)據(jù)位的前三位（驅(qū)動(dòng)VCM的電流）送入電流數(shù)組，同時(shí)截取數(shù)據(jù)位的后四位 （電流值對(duì)應(yīng)的位移值）送入位移數(shù)組完成數(shù)據(jù)的解析。數(shù)據(jù)處理主要是根據(jù)電流值和位移值求出VCM的靈敏度、啟動(dòng)電流和最大行程。靈敏度的求解，將中間線性比較好的數(shù)據(jù)段進(jìn)行線性插值（利用線性插值子VI）所得直線的斜率即為該VCM的靈敏度，直線與電流軸的焦點(diǎn)即為啟動(dòng)電流。最大行程利用求位移數(shù)組的最大值來(lái)求取（求數(shù)組最大值VI）。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊要求上位機(jī)把每次測(cè)試的結(jié)果做成報(bào)表的形式存儲(chǔ)。LabVIEW Report Generation工具包通過(guò)ActiveX技術(shù)將Microsoft Excel與LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合起來(lái)，用于快速生成專業(yè)的報(bào)告，從而有效的表示出各種測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果。用戶可以移植、修改現(xiàn)有的報(bào)告模板，并使用標(biāo)準(zhǔn)的LabVIEW功能，擴(kuò)展該工具包的報(bào)告生成功能。使用該VI時(shí)，首先必須在Excel中做好模版文件（.xlt文件），將該VI放入程序框圖時(shí)將出現(xiàn)配置對(duì)話框，將生成的模板文件導(dǎo)入，再設(shè)置其參數(shù)。將要保存的數(shù)據(jù)按名稱連線到相應(yīng)的端子，各數(shù)據(jù)就會(huì)保存到模板定義的Excel單元格里面。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將電源連接到控制板，利用串口線將傳感器和控制板連接，控制板和計(jì)算機(jī)連接，實(shí)驗(yàn)硬件裝置如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)硬件裝置Fig.4 The experimental hardware device

實(shí)驗(yàn)所用VCM為實(shí)驗(yàn)室自制VCM，由控制器控制AD5821芯片依次輸出0-100mA（每次增加1mA）電流驅(qū)動(dòng)VCM，由傳感器采集各個(gè)電流值對(duì)應(yīng)的位移值，由下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后在LabVIEW前面板中繪制的VCM位移-電流曲線如圖5所示。隨著電流的增加VCM按照相應(yīng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橐朔旧淼闹亓σ约捌渌A(yù)壓力作用，VCM需要達(dá)到一定的電流（啟動(dòng)電流）才開始運(yùn)動(dòng)，由測(cè)試曲線可知，啟動(dòng)電流在20 mA左右，隨后VCM以6 μm/mA（靈敏度）的步距運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電流達(dá)到85 mA左右行程達(dá)到最大值 （最大行程）。由于馬達(dá)性能的不同以上參數(shù)會(huì)有不同，其應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。

圖5 實(shí)際測(cè)得的VCM特性曲線Fig.5 The actual curves of VCM

測(cè)試系統(tǒng)軟件給出的特性參數(shù)值以及和參考值之間的對(duì)比如表1所示。

對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果和給定的參考值可知靈敏度誤差比較小，與給定參考值一致。而啟動(dòng)電流和最大行程與參考值有偏差，分析其原因如下：給出的參考值是在有反射片的情況下測(cè)量的結(jié)果，而本測(cè)試系統(tǒng)無(wú)需反射片，這也是本系統(tǒng)的一大創(chuàng)新點(diǎn)，入射激光直接投射到VCM的上彈片上，由與缺少反射片重力預(yù)壓力的作用導(dǎo)致啟動(dòng)電流偏小，最大行程稍微偏大的結(jié)果。

表1 實(shí)際值與參考值對(duì)比Tab.1 The actual value and the reference value of the comparison between

4 結(jié)束語(yǔ)

和市場(chǎng)上現(xiàn)有的VCM特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)成本低，檢測(cè)時(shí)無(wú)需反射片（反射片要求光學(xué)平面，反射率大于80%），以及對(duì)被測(cè)表面質(zhì)量沒(méi)有同類產(chǎn)品嚴(yán)格。

文中基于LabVIEW軟件平臺(tái)，微位移傳感器，以及單片機(jī)構(gòu)建VCM特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)VCM特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、測(cè)試精度較高、測(cè)試簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀明了。

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