引言
    近年來，隨著微／納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加工、測量都要求一個穩(wěn)定的環(huán)境，以提高加工、測量精度。然而振動干擾無處不在，室外交通、室內(nèi)人員走動、機械設備運轉(zhuǎn)等均可能造成振動干擾。大地產(chǎn)生的振動頻率約為0．1～10 Hz，實驗室人員走動所產(chǎn)生的振動頻率約為1～3Hz，一般建筑物的振動頻率約在10～100 Hz之間。而且這些振動都很難徹底消除，所以振動的抑制與隔離就尤為重要。
    振動的抑制與隔離方法有多種，通常將振動隔離技術(shù)分為被動隔振技術(shù)和主動隔振技術(shù)。音圈電機(Voice Coil Motor，VCM)是電磁線性電機中的一種，最早用于擴音器。因其具有結(jié)構(gòu)簡單、直接驅(qū)動、維護容易等優(yōu)點，并具有良好的加速、減速性能，所以VCM激勵器常用于需要快速、運動受控的設備等場合，如DVD中的伺服控制、硬盤，以及攝像機鏡頭等。本文選用VCM作為低頻主動隔振系統(tǒng)中主動吸振器的驅(qū)動器，并給出了軟、硬件設計方法。

1 系統(tǒng)硬件設計
    VCM控制系統(tǒng)硬件電路采用TI公司的TMS320F2812(以下簡稱F2812)作為控制系統(tǒng)核心。該芯片是一款功能非常強大的32位定點DSP芯片，既具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能。時鐘頻率為150 MHz，能夠滿足系統(tǒng)實時性要求。另外，該芯片還支持96個外部中斷、豐富的外部存儲器接口等。VCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1中，電源模塊為系統(tǒng)提供各種規(guī)格的電源需求；DSP最小系統(tǒng)模塊是控制系統(tǒng)的運算處理核心；數(shù)據(jù)存儲模塊分別采用IS61LV25616AL和SST39VF800Q擴展了8 MbFlash和4 Mb RlAM；CPLD擴展模塊采用EPM3256A系列的CPLD擴展了人機交互模塊和RS232和USB2．0通信模塊；加速度傳感器信號采集電路是主動隔振系統(tǒng)的振動干擾檢測模塊，即控制系統(tǒng)的前向通道；VCM驅(qū)動電路模塊為控制系統(tǒng)的后向通道。
    在主動隔振系統(tǒng)中，采用的是ICP式加速度傳感器來檢測隔振平臺的振動情況。傳感器的輸出為±5 V的電壓信號，為了獲得足夠的分辨率和線性度，選用了ADI公司的24位∑-△ADC轉(zhuǎn)換芯片AD7734。其非線性度不超過±0．0025％，并具有SPI通信接口。通過配置AD7734的內(nèi)部寄存器，可以直接采樣加速度傳感器輸出的±5 V信號。前向通道的電路原理圖如圖2所示。其中，AD780是一款超高精度帶隙基準電壓源，可以提供2．5 V輸出。

    VCM驅(qū)動電路原理如圖3所示。VCM是永磁式直線型電機，改變線圈控制電壓的方向和大小，即可改變VCM的運動方向和定位位置，且其定位精度與控制信號的分辨精度密切相關(guān)。為了獲得較大的驅(qū)動能力，選用了TI公司的雙全橋PWM電機驅(qū)動芯片DRV8402。該驅(qū)動芯片可以工作在500 kHz的切換頻率下，操作電壓為12～50 V，可持續(xù)輸出10 A電流，峰值電流高達24 A；能100％線性還原輸入的PWM，對控制精度無損。采用F2812的PWM輸出模塊與DRV8402配合使用，VCM的控制精度可達16位。

2 系統(tǒng)軟件設計
    為了滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，在參考μC／OS-I的基礎上，結(jié)合F2812的32位硬件定時器Timer 2，編寫了一種基于時鐘節(jié)拍和消息機制的軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)完全由C語言編寫而成，對硬件的依賴度小，可以很方便地移植到其他的硬件平臺上。該軟件系統(tǒng)核心文件的說明如表1所列。其中，硬件依賴度分為3個級別(1～3)，數(shù)字越大依賴度越大。

    核心文件之間的包含調(diào)用關(guān)系如圖4所示。其中，math．h為編譯器自帶的頭文件。

    軟件系統(tǒng)的架構(gòu)可以用圖5所示的3個流程來表示。圖5(a)是主程序流程，即該軟件系統(tǒng)的前臺操作流程。在主程序的大循環(huán)(while(1){；})中，系統(tǒng)會不斷地從消息隊列中取消息，判斷消息類型，然后根據(jù)消息類型和消息值執(zhí)行相應操作。圖5(b)是系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的中斷服務函數(shù)流程。該時鐘節(jié)拍由硬件定時器Timer 2(T2)產(chǎn)生，節(jié)拍周期可調(diào)，通常為20ms。每個時鐘節(jié)拍周期到了之后，系統(tǒng)中斷并進人中斷服務函數(shù)，執(zhí)行T2例行程序，這是系統(tǒng)的后臺操作。圖5(c)是T2例行程序的流程。進入該例行程序，首先檢查有沒有軟件時鐘，如果有則調(diào)用軟件時鐘服務函數(shù)，然后執(zhí)行系統(tǒng)例行程序。如果沒有，則直接調(diào)用系統(tǒng)例行程序。
    軟件時鐘是一種基于系統(tǒng)時鐘節(jié)拍的定時操作，可以把它理解成鬧鐘，即每個一定時間都執(zhí)行某一操作，或僅是單次操作。軟件時鐘對應的操作，可以送進消息隊列在前臺執(zhí)行，也可以在中斷中執(zhí)行。但不宜把太多的軟件鬧鐘設為在消息隊列中執(zhí)行。
    消息傳遞機制是該軟件系統(tǒng)前后臺配合的紐帶。所有后臺操作或外部請求都可以通過消息包的方式送進消息隊列，然后在前臺以取消息、解消息的方式獲取需要處理的信息，然后執(zhí)行相應的操作。目前，消息隊列是FIFO的方式，不支持優(yōu)先級，在實際應用時一定要保證消息隊列的容量足夠大。

結(jié)語
    經(jīng)過實驗調(diào)試，基于該VCM控制系統(tǒng)的低頻隔振平臺能有效地動態(tài)抑制外界振動干擾。此外，基于時鐘節(jié)拍和消息機制的軟件系統(tǒng)被多次移植到其他項目應用上，均取得了良好的效果。