CN108388169B - Moems扫描光栅微镜控制系统 - Google Patents
Moems扫描光栅微镜控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种MOEMS扫描光栅微镜的控制系统。它主要由传感器信号获取模块、数字信号处理闭环控制模块、扫描光栅微镜驱动器组成，通过数字式控制方法实现对MOEMS扫描光栅微镜的闭环控制，基于FPGA开发放大器自适应控制调节、微镜运动姿态分析、传感器信号频谱分析、滑模PID自校准、DDS驱动信号发生器、外存储控制器的知识产权核，实现了MOEMS扫描光栅微镜的数字式控制，具有很高的灵活性、可移植性，集成度高的特点。设计放大电路、信号转换器、滤波器，完成MOEMS扫描光栅微镜的高精度控制，具有优良的抗干扰特性，提高了系统稳定性，可适用于电磁式、压电式等不同驱动方式的MOEMS扫描光栅微镜中。
Description
技术领域
本发明属于仪器控制技术领域，涉及MOEMS扫描光栅微镜控制系统。
背景技术
随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS )技术和工艺的不断发展，基于MEMS技术的各种器件因其小体积、低功耗、低成本、高灵活性、高稳定性等优点被广泛应用于高精度传感器和微型仪器设备的研究和开发中，在此基础上微光机电系统(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，MOEMS)成为光学仪器设备微型化的核心技术。其中，基于硅基加工工艺的MOEMS器件在光通信、显示成像、医疗卫生、食品安全、生化检测等方面得到了广泛应用，是数字光学处理器(DLP)、光学相干断层成像系统(OCT)、医学内窥检查系统、光学雷达、光谱仪等系统和设备中的核心器件。
MOEMS微镜作为高精尖光学仪器和设备中的核心元器件，其配套的控制系统和控制方法决定了MOEMS微镜的精确度；因此，优秀、高效、完善的MOEMS微镜控制系统和方法是仪器和设备稳定性和可靠性的重要保障。
MOEMS扫描光栅微镜控制系统的主要作用是对MOEMS扫描光栅微镜的工作姿态进行检测、运动信号进行采集和对其驱动进行控制。根据微镜姿态传感方式MOEMS微镜主要可分成集成式和分立式两种：其中集成式传感器的原理主要有压阻效应、逆压电效应、电磁感应等，分立式传感器则主要采用光学检相器来实现姿态传感；根据微镜驱动方式的不同，主要可分为静电驱动、压电驱动、电磁驱动和热驱动四种。根据不同的传感和驱动方式，基于不同原理的MOEMS微镜往往需要重新设计控制系统，并针对功能需求对控制电路中的主控单元进行设计变更，可移植性差，灵活度低，这将大大增加基于MOEMS微镜的光学仪器、设备和系统的资源、人力成本，不利于开发周期的缩短。发明内容
本发明针对现有技术存在的以上问题，提出一种MOEMS扫描光栅微镜控制系统。
本发明具体采用以下技术方案：
一种MOEMS扫描光栅微镜控制系统，所述系统包括传感器信号获取模块、数字信号处理闭环控制模块、扫描光栅微镜驱动器。
所述传感器信号获取模块包括自适应前置放大器、模/数转换器；其中，自适应前置放大器包括内置于FPGA中的放大器自适应控制调节单元和可编程前置运算放大电路构成。
所述数字信号处理闭环控制模块包括微镜运动姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、滑模PID自校准控制单元、外存储单元。其中外存储单元包括内置于FPGA中的外存储控制器和DDR2外部缓存。
所述扫描光栅微镜驱动器包括内置于FPGA中的DDS驱动信号发生器单元、数/模转换器。
所述可编程前置运算放大电路的信号输入端与扫描光栅微镜运动姿态传感器的输出端相连，获取扫描光栅微镜的运动姿态信号，放大器自适应控制调节单元通过FPGA的IO口与可编程前置运算放大电路控制端口相连，控制可编程前置运算放大电路调节放大倍数、增益、滤波实现对扫描光栅微镜的运动姿态信号的自适应信号预处理功能。
所述的模/数转换器的信号输入端与可编程前置运算放大电路信号输出端相连，接收经过预处理的扫描光栅微镜的运动姿态信号并进行从模拟信号到数字信号的转换，并通过FPGA的IO口传入所述数字控制部分，后分为三路分别传至微镜姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、外存储控制器。
所述的外存储控制器通过FPGA的IO口与DDR2外部缓存相连，对来自模/数转换器的信号进行读写缓存。
所述微镜姿态分析单元对来自模/数转换器的信号进行微镜在各运动自由度上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元。
所述传感器信号频谱分析单元对来自模/数转换器的信号频域上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元。
所述滑模PID自校准控制单元接收来自微镜姿态分析单元和传感器信号频谱分析单元，经过相应处理对DDS驱动信号发生器单元传输校准信号；
所述DDS驱动信号发生器单元结合滑模PID自校准控制单元传输的校准信号，通过FPGA(4)的IO口对数/模转换器的输入端进行数据传输，并由数/模转换器完成数字信号到模拟信号的转换，进而完成对扫描光栅微镜驱动器的控制。
本发明中，所述滑模PID自校准控制单元可根据微镜姿态分析单元和传感器信号频谱分析单元传输的信号，利用滑模PID控制方法实现对微镜驱动信号的控制和调节，是在MOEMS扫描光栅微镜工作过程中其稳定性和快速响应特性的重要保障。
本发明中，所述微镜姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、滑模PID自校准控制单元、DDS驱动信号发生器单元共同构成数字闭环控制中的反馈环节，实现了MOEMS扫描光栅微镜的自适应数字式闭环控制，实现反馈调节，使MOEMS扫描光栅微镜在复杂工作环境下正常高效运行。
本发明中，所述可编程前置运算放大电路、模/数转换器、放大器自适应控制调节单元、外存储控制器、DDR2外部缓存构成了信号获取模块，实现扫描光栅微镜角度和位移传感信号的采集和通讯功能，方便用户和开发者对于传感信号其设计和应用。
本发明中，所述数/模转换器、DDS驱动信号发生器单元构成了扫描光栅微镜的驱动信号源。
本发明中，放大器自适应控制调节单元、微镜姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、滑模PID自校准控制单元、DDS驱动信号发生器单元、外存储控制器及其各个模块相对应的IP核针对不同的MOEMS扫描光栅微镜控制系统具有可移植性，灵活度高。
本发明具有以下技术方案特点：
1. 实现了MOEMS扫描光栅微镜传感信号获取、传感信号分析、驱动控制功能的一体化集成。
2. 实现了滑模PID自校准控制，使MOEMS扫描光栅微镜具有自适应调节和控制的功能。
3. MOEMS扫描光栅微镜控制系统采用基于FPGA的数字式闭环控制，为MOEMS扫描光栅微镜工作过程中的自适应调节和抗干扰提供了有力保障，提高了MOEMS扫描光栅微镜在不同工作环境中适应性。
4. MOEMS扫描光栅微镜控制系统中开发的放大器自适应控制调节单元、微镜姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、滑模PID自校准控制单元、DDS驱动信号发生器单元、外存储控制器及其各模块相对应的IP核对于控制精度、响应速度等控制过程中参数均可进行调节和自定义，可移植性好，灵活度高。
5. MOEMS扫描光栅微镜控制系统中开发的放大器自适应控制调节单元、微镜姿态分析单元、传感器信号频谱分析单元、滑模PID自校准控制单元、DDS驱动信号发生器单元、外存储控制器及其各模块相对应的IP核可整体或部分移植到采用MOEMS扫描光栅微镜的系统中。
附图说明
图1 为本MOEMS扫描光栅微镜控制系统的原理框图
图2 为微镜姿态分析单元原理框图
图3 为传感器频谱分析模块原理框图
图4 为滑模PID算法原理图
图5 为DDS驱动信号发生器单元原理框图
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示为本发明MOEMS扫描光栅微镜控制系统的原理框图。
MOEMS扫描光栅微镜控制系统由传感器信号获取模块、数字信号处理闭环控制模块、扫描光栅微镜驱动器。
所述传感器信号获取模块包括自适应前置放大器、模/数转换器6，其中，自适应前置放大器由内置于FPGA4中的放大器自适应控制调节单元8和可编程前置运算放大电路5构成。
所述数字信号处理闭环控制模块包括微镜运动姿态分析单元9、传感器信号频谱分析单元10、滑模PID自校准控制单元11、外存储单元，其中外存储单元由内置于FPGA4中的外存储控制器13和DDR2外部缓存14构成。
所述扫描光栅微镜驱动器包括内置于FPGA4中的DDS驱动信号发生器单元12、数/模转换器7。
所述可编程前置运算放大电路5信号输入端与扫描光栅微镜运动姿态传感器2输出端相连，获取扫描光栅微镜的运动姿态信号，放大器自适应控制调节单元8通过FPGA4的IO口与可编程前置运算放大电路5控制端口相连，控制可编程前置运算放大电路5调节放大倍数、增益、滤波实现对扫描光栅微镜的运动姿态信号的自适应信号预处理功能。所述的模/数转换器6的信号输入端与可编程前置运算放大电路5信号输出端相连，接收经过预处理的扫描光栅微镜的运动姿态信号并进行从模拟信号到数字信号的转换，并通过FPGA4的IO口传入所述数字控制部分，后分为三路分别传至微镜姿态分析单元9、传感器信号频谱分析单元10、外存储控制器13；所述外存储控制器13通过FPGA4的IO口与DDR2外部缓存14相连，对来自模/数转换器6的信号进行读写缓存。所述微镜姿态分析单元9对来自模/数转换器6的信号进行微镜在各运动自由度上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元11。所述的传感器信号频谱分析单元10对来自模/数转换器6的信号频域上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元11。所述的滑模PID自校准控制单元11接收来自微镜姿态分析单元9和传感器信号频谱分析单元10，经过相应处理对DDS驱动信号发生器单元12传输校准信号。所述的DDS驱动信号发生器单元12结合滑模PID自校准控制单元11传输的校准信号，通过FPGA(4)的IO口对数/模转换器7的输入端进行数据传输，并由数/模转换器7完成数字信号到模拟信号的转换，进而完成对扫描光栅微镜驱动器3的控制。
如图2所示为微镜姿态分析单元的原理框图。
微镜姿态分析单元9包括传感信号自由度分解算法单元、m个姿态传感寄存器。扫描光栅微镜的角度和位移信号输入可编程前置运算放大电路放大，经m个通道的A/D信号转换后输入微镜姿态分析单元的m个姿态传感寄存器中，经传感信号自由度分解算法单元分解为n组自由度的幅值及相位数据。
如图3所示为传感器频谱分析模块原理框图。
扫描光栅微镜的角度和位移信号输入可编程前置运算放大电路放大，经模/数转换器转换为数字信号后进入传感器信号频谱分析单元。传感器信号首先进入传感器波形FIFO存储器进行缓存后进入数字低通滤波器，滤波器配置参数信息经滤波器参数存储模块控制数字低通滤波器对传感器信号进行滤波。滤波后的传感器信号进入FFT运算单元，输出信号一路进入谐振频率监测单元作为频率监测信号，另一路进入信号频谱数据FIFO存储缓存后作为信号频谱数据。
微镜姿态分析单元及传感器信号频谱分析单元的输出信号进入滑模PID自校准控制模块，对DDS驱动信号发生器单元进行控制，构成闭环数字控制部分。
如图4所示为滑模PID算法原理图。
设定信号与作为反馈信号的扫描光栅微镜角度及位移传感器输出的角度及位移信号求差后作比例、积分、微分处理形成滑模面，经滑模控制单元控制扫描光栅微镜。
如图5所示为DDS驱动信号发生器单元原理框图。
相位控制信号及频率控制信号分别进入DDS驱动信号发生器单元的相位寄存器和频率寄存器，相位寄存器和频率寄存器的输出信号进入DDS波形累加器，相位自校准反馈信号及频率自校准反馈信号分别进入相位调制寄存器和频率调制寄存器，DDS波形累加器、相位调制寄存器、频率调制寄存器及波形写入信号共同进入驱动波形存储单元形成驱动信号，经数/模转换器进入扫描光栅微镜驱动器，使扫描光栅微镜幅值、频率稳定摆动。
本发明通过数字式控制方法实现对MOEMS扫描光栅微镜的闭环控制，基于FPGA开发放大器自适应控制调节、微镜运动姿态分析、传感器信号频谱分析、滑模PID自校准、DDS驱动信号发生器、外存储控制器的知识产权核，实现了MOEMS扫描光栅微镜的数字式控制方法，具有很高的灵活性、可移植性，集成度高；设计放大电路、信号转换器、滤波器，完成了MOEMS扫描光栅微镜的高精度控制，具有优良的抗干扰特性，提高了系统稳定性，并可适用于电磁式、压电式等不同驱动方式的MOEMS扫描光栅微镜中。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施实例做了详尽的说明与描述，本领域技术人员应该理解，以上实施实例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述系统包括传感器信号获取模块、数字信号处理闭环控制模块、扫描光栅微镜驱动器(3)；
所述传感器信号获取模块包括自适应前置放大器、模/数转换器(6)；其中，自适应前置放大器包括内置于FPGA(4)中的放大器自适应控制调节单元(8)和可编程前置运算放大电路(5)构成；
所述数字信号处理闭环控制模块包括微镜姿态分析单元(9)、传感器信号频谱分析单元(10)、滑模PID自校准控制单元(11)和外存储单元；其中，外存储单元包括内置于FPGA(4)中的外存储控制器(13)和DDR2外部缓存(14)构成；
所述扫描光栅微镜驱动器(3)包括内置于FPGA(4)中的DDS驱动信号发生器单元(12)、数/模转换器(7)；
所述可编程前置运算放大电路(5)信号输入端与扫描光栅微镜运动姿态传感器(2)输出端相连，获取扫描光栅微镜的运动姿态信号，放大器自适应控制调节单元(8)通过FPGA(4)的IO口与可编程前置运算放大电路(5)控制端口相连，控制可编程前置运算放大电路(5)调节放大倍数、增益、滤波实现对扫描光栅微镜的运动姿态信号的自适应信号预处理功能；
所述模/数转换器(6)的信号输入端与可编程前置运算放大电路(5)信号输出端相连，接收经过预处理的扫描光栅微镜的运动姿态信号并进行从模拟信号到数字信号的转换，并通过FPGA(4)的IO口传入数字控制部分，后分为三路分别传至微镜姿态分析单元(9)、传感器信号频谱分析单元(10)、外存储控制器(13)；
所述外存储控制器(13)通过FPGA(4)的IO口与DDR2外部缓存(14)相连，对来自模/数转换器(6)的信号进行读写缓存；
所述微镜姿态分析单元(9)对来自模/数转换器(6)的信号进行微镜在各运动自由度上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元(11)；
所述传感器信号频谱分析单元(10) 对来自模/数转换器(6)的信号频域上的分析，并将分析结果数据传输至滑模PID自校准控制单元(11)；
所述的滑模PID自校准控制单元(11)接收来自微镜姿态分析单元(9)和传感器信号频谱分析单元(10)，经过相应处理对DDS驱动信号发生器单元(12)传输校准信号；
所述DDS驱动信号发生器单元(12)结合滑模PID自校准控制单元(11)传输的校准信号，通过FPGA(4)的IO口对数/模转换器(7)的输入端进行数据传输，并由数/模转换器(7)完成数字信号到模拟信号的转换，进而完成对扫描光栅微镜驱动器(3)的控制。
2.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述微镜姿态分析单元(9)包括传感信号自由度分解算法单元、m个姿态传感寄存器，扫描光栅微镜的角度和位移信号输入可编程前置运算放大电路放大后，经m个通道的A/D信号转换后输入微镜姿态分析模块的m个姿态传感寄存器中，经传感信号自由度分解算法单元分解为n组自由度的幅值及相位数据。
3.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述传感器信号频谱分析单元(10)包括传感器波形FIFO存储器、数字低通滤波器，滤波器参数存储模块、FFT运算单元、谐振频率监测单元、信号频谱数据FIFO； 传感器信号首先进入传感器波形FIFO存储器进行缓存后进入数字低通滤波器，滤波器配置参数信息经滤波器参数存储模块控制数字低通滤波器对传感器信号进行滤波；
滤波后的传感器信号进入FFT运算单元，输出信号一路进入谐振频率监测单元作为频率监测信号，另一路进入信号频谱数据FIFO存储缓存后作为信号频谱数据。
4.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述滑模PID自校准控制单元(11)可根据微镜姿态分析单元(9)和传感器信号频谱分析单元(10)传输的信号，利用滑模PID控制方法实现对微镜驱动信号的控制和调节。
5.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述DDS驱动信号发生器单元(12)包括相位寄存器、频率寄存器、DDS波形累加器、相位调制寄存器、频率调制寄存器和驱动波形存储单元；相位控制信号及频率控制信号分别进入DDS驱动信号发生器单元(12)的相位寄存器和频率寄存器，相位寄存器和频率寄存器的输出信号进入DDS波形累加器，相位自校准反馈信号及频率自校准反馈信号分别进入相位调制寄存器和频率调制寄存器，DDS波形累加器、相位调制寄存器、频率调制寄存器及波形写入信号共同进入驱动波形存储单元形成驱动信号，经数/模转换器进入扫描光栅微镜驱动器。
6.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述微镜姿态分析单元(9)、传感器信号频谱分析单元(10)、滑模PID自校准控制单元(11)、DDS驱动信号发生器单元(12)共同构成数字闭环控制中的反馈环节，实现MOEMS扫描光栅微镜的自适应数字式闭环控制。
7.根据权利要求1所述的MOEMS扫描光栅微镜的控制系统，其特征在于：所述的可编程前置运算放大电路(5)、模/数转换器(6)、放大器自适应控制调节单元(8)、外存储控制器(13)、DDR2外部缓存(14)构成信号采集链路，实现扫描光栅微镜运动姿态传感信号的获取和处理。
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