基于FPGA+STM32的多功能壓電陶瓷控制系統(tǒng)

摘 "要： 針對(duì)微位移壓電陶瓷控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式單一、通道少、可靠性低等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種FPGA+STM32的多功能壓電陶瓷控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以光纖為主通信方案，網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線為備通信方案；并以Artix7系列FPGA芯片為主控芯片，負(fù)責(zé)接收4路光纖與FSMC總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令，并行控制19片16通道的DAC81416數(shù)/模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)304通道的模擬電壓輸出，而STM32負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)與FSMC總線的數(shù)據(jù)傳輸控制；同時(shí)，采用橋式電路+差分放大電路+模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)與溫濕度傳感器相結(jié)合的方式采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過RS 422接口實(shí)現(xiàn)25 Hz頻率回傳。此外，預(yù)留RS 485接口，可控制外部環(huán)境測(cè)量裝置，完成更多環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某光學(xué)系統(tǒng)的壓電陶瓷位移控制中。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，兩種通信方式均可實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，通過配置可實(shí)現(xiàn)304通道-5～5 V的模擬電壓實(shí)時(shí)輸出，環(huán)境數(shù)據(jù)能按照25 Hz頻率實(shí)時(shí)刷新顯示。

關(guān)鍵詞： 壓電陶瓷控制系統(tǒng)； FPGA； STM32； 光纖通信； 網(wǎng)絡(luò)通信； FSMC總線； 環(huán)境數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN492?34； TP311 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）18?0107?07

Multifunctional piezoelectric ceramic control system based on FPGA+STM32

Lü Caiyu1， XU Yang1， LI Xuehua1， QIU Guoxing1， HUANG Qiangyuan2

（1. College of Electronic Engineering， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China;

2. Chengdu Yuanwang Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610101， China）

Abstract： In allusion to the disadvantages of single data transmission mode， few channels and low reliability， a multi?functional piezoelectric ceramic control system based on FPGA+STM32 is designed. In the system， the optical fiber is used as the main communication scheme， and network+FSMC bus is used as the backup communication scheme. Artix7 series FPGA chip is the main control chip， which is responsible for receiving data and commands transmitted by 4 optical fibers and FSMC bus， can parallel control 19 16?channel DAC81416 digital?to?analog conversion， and realize 304 channel analog voltage output. STM32 is responsible for the data transmission control of the network and FSMC bus. In the system， the circuit design of bridge circuit + differential amplifier circuit + analog?to?digital converter is combined with temperature and humidity sensor to collect environmental data， and realize 25 Hz frequency return by RS 422 interface. The RS 485 interface is reserved in the system， which can control the external environment measurement device to complete more environmental data acquisition. The system has been successfully applied to the piezoelectric ceramic displacement control of an optical system. The testing results show that the whole system can work stably， the two communication modes can realize high?speed data transmission， and the real?time output of 304 channels of -5～5 V analog voltage can be realized by the configuration， and the environmental data can be refreshed and displayed in real time according to the frequency of 25 Hz.

Keywords： piezoelectric ceramic control system; FPGA; STM32; optical fiber communication; network communication; FSMC bus; environmental data acquisition

0 "引 "言

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、激光核聚變、生物顯微鏡等領(lǐng)域，目的是提高光學(xué)系統(tǒng)中的光束波前質(zhì)量。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常包括三個(gè)主要組成部分：波前傳感器、波前校正器及波前控制器[1]。壓電變形鏡作為一種常用的波前校正器，具有高帶寬、大沖程等優(yōu)點(diǎn)[2]，受到自適應(yīng)光學(xué)研究使用者青睞。變形鏡的工作主要由壓電陶瓷控制系統(tǒng)、外圍電壓放大電路和壓電陶瓷致動(dòng)器控制。壓電陶瓷控制系統(tǒng)是變形鏡工作的核心，主要負(fù)責(zé)輸出多單元的基電壓；外圍電壓放大電路負(fù)責(zé)主控系統(tǒng)電壓的放大；致動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷工作。因此，主控系統(tǒng)輸出電壓的通道數(shù)，以及其功能的多樣性對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)器及變形鏡的工作起到了決定性的作用[3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)多通道壓電陶瓷控制系統(tǒng)的報(bào)道較少，邵立設(shè)計(jì)了一個(gè)3通道輸出的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源[4]，張悅等設(shè)計(jì)了一個(gè)109通道輸出的變形鏡控制系統(tǒng)[5]，王潔等設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PB58的新型壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源[6]；但這些新的設(shè)計(jì)存在輸出通道數(shù)較少、控制方式單一、無系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和致動(dòng)器的工作壽命。在工業(yè)環(huán)境中，環(huán)境溫度、濕度難以控制且單種數(shù)據(jù)傳輸極易受影響，壓電陶瓷的位移量也隨溫度變化有較大的影響，以及壓電致動(dòng)器在干燥環(huán)境中的工作壽命通常比高濕度環(huán)境中要長(zhǎng)。因此，本文提出一種多功能壓電陶瓷控制系統(tǒng)。首先該系統(tǒng)需含兩種通信方式，且主通信方式速度要求達(dá)到3.125 GB/s；同時(shí)，需要實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并回傳顯示，便于檢測(cè)器件工作環(huán)境；最后，輸出通道數(shù)需達(dá)到304通道，輸出電壓范圍最小為±5 V，便于后級(jí)電壓放大電路驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷工作。

1 "系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求可將系統(tǒng)分為主控、數(shù)據(jù)傳輸、狀態(tài)采集、模擬電壓輸出四個(gè)模塊。首先，根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)304通道模擬電壓輸出及多種數(shù)據(jù)通信控制等，選擇Artix7系列XC7A35T的FPGA芯片作為主控芯片；其次，要求實(shí)現(xiàn)兩種不同的數(shù)據(jù)通信方式，且主通信傳輸速率要求達(dá)到3.125 GB/s，因此采用光纖通信為主傳輸、網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線為備傳輸；然后根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分精度與通道數(shù)要求，選取16通道16位的DAC81416芯片；為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，回傳模塊采用RS 422接口；最后，為了確保環(huán)境數(shù)據(jù)的可靠性，采用PT100鉑熱電阻和可編程溫濕度傳感器SHT30分別測(cè)量放大電路溫度與系統(tǒng)溫濕度。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

多功能壓電陶瓷控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

1） 兩種完全獨(dú)立的通信方式，保證復(fù)雜環(huán)境條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2） 豐富多樣的環(huán)境監(jiān)測(cè)手段，SHT30測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境溫濕度，PT100測(cè)量外部壓電陶瓷電壓放大電路溫度，且預(yù)留RS 485接口，可與外部環(huán)境測(cè)量裝置相結(jié)合，測(cè)量環(huán)境壓力、氧濃度、潔凈度等參數(shù)。

3） 多達(dá)304通道的模擬電壓輸出接口，通過配置上位機(jī)能實(shí)時(shí)輸出不同幅度或頻率的直流、正弦波電壓等。

2 "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 "主控模塊硬件設(shè)計(jì)

主控模塊為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心，采用XC7A35T的FPGA芯片。首先，通過光纖、FSMC總線接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和命令，并在內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼，控制外部19片DAC81416進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；其次，控制SHT30數(shù)據(jù)采集和ADC電壓采集，并通過RS 422接口返回上位機(jī)顯示；最后，控制外部4路電壓輸出，并可通過緊急模式POWER_GPIO關(guān)閉電壓輸出等。主控模塊硬件連接圖如圖2所示。

2.2 "數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 "光纖通信模塊硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用賽靈思GTP+SFP光收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光纖通信功能，GTP IP Core可以實(shí)現(xiàn)500 MB～6 GB的串行數(shù)據(jù)收發(fā)，賽靈思以Quad來對(duì)高速串行收發(fā)器進(jìn)行分組，四個(gè)串行高速收發(fā)器和一個(gè)COMMOM（QPLL）組成一個(gè)Quad，每一個(gè)串行高速收發(fā)器稱為一個(gè)Channel（通道）[7]。因?yàn)閭鬏斔俾矢哌_(dá)3.125 GB/s，因此SFP光收發(fā)器通過差分的方式將TX和RX連接到FPGA的高速收發(fā)器上，其中TX?Fault和Rx?Loss接入LED燈，可以通過燈的亮滅判斷光纖通信的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用一個(gè)Quad共4路光纖通信通道，其中每路光纖分別負(fù)責(zé)96通道、176通道、16通道、16通道的D/A數(shù)據(jù)傳輸。其中一路光纖通信電路圖如圖3所示。

2.2.2 "網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

使用STM32F103ZXT單片機(jī)加W5300的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案，其主要工作是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求讀寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片的相應(yīng)寄存器，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的連接和通信[8]。W5300采用16位的數(shù)據(jù)總線控制方式，通過FSMC總線和ARM控制器連接。W5300和控制器之間可選擇兩種不同接口模式，分別是間接地址模式和直接地址模式，通過配置MR模式寄存器即可選擇。不同模式下，W5300地址線與控制器的連接方式不同。網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線硬件連接圖如圖4所示。

2.3 "環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)及外圍放大電路和壓電陶瓷組件在正常的工作環(huán)境下，需對(duì)系統(tǒng)溫濕度及放大電路溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集電路圖如圖5所示。

系統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)可直接使用SHT30。SHT30可與FPGA或ARM之間通過I2C總線通信，直接得到環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。由于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)需要較大的電壓，但主控系統(tǒng)輸出電壓較小，需要外接放大電路才能使其正常工作。通常放大電路會(huì)產(chǎn)生大量的熱量使其性能下降，因此需要對(duì)放大電路溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文利用PT100隨溫度變化會(huì)呈現(xiàn)出不同阻值的特性，只需在PT100表面涂抹導(dǎo)熱硅膠，再把它粘貼在放大電路上，就能得到對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。此方法的難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)穩(wěn)定的采集電路，使用普通電路采集可能會(huì)導(dǎo)致一定誤差。這里使用橋式電路與差分放大電路相結(jié)合，采集其電橋兩端的電壓差，通過運(yùn)算放大器后再使用ADC采集，最后通過查表的方法就能得到對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度值。

簡(jiǎn)化圖5可得圖6所示的PT100電路圖。圖中：U3、U4對(duì)應(yīng)輸入運(yùn)算放大器正負(fù)極電壓；U1、U2對(duì)應(yīng)電橋兩端電壓。在-60～60 ℃條件下，PT100電阻值變化范圍為[76.33～123.4 Ω]。

設(shè)Ri為R2、R7、R8的并聯(lián)電阻，X為PT100電阻值，則Ri為：

[Ri=R2·（R7+R8）R2+R7+R8] （1）

根據(jù)歐姆定理可得U2、U4為：

[U2=RiRi+R3·U] （2）

[U4=R8R8+R7·U2] （3）

根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短虛斷”的特性[9]可知：

[U3=U4] （4）

[I+=I-=0] （5）

當(dāng)電路正常工作后，PT100兩端電壓由電源電壓、反饋電壓兩部分組成。根據(jù)疊加定理、基爾霍夫電流定理可以得到如下公式：

[U3-Uo-U3R6·R5=U1] （6）

[XUR1+X+Uo-U3R6=U1] （7）

聯(lián)立式（1）～式（7）并化簡(jiǎn)可得：

[（R5+R6+X）·R8R8+R7·RiRi+R3·U-R6·X·UR1+X= " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " Uo（R5+X）] （8）

由式（8）可推出，不同電阻值X對(duì)應(yīng)不同輸出電壓[Uo]，將某些值X代入式（8）可得表1的關(guān)系。

2.4 "模擬電壓輸出模塊硬件設(shè)計(jì)

DAC81416是一款16位16通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其含有靈活的輸出配置，支持±2.5 V、±5 V、±10 V、±20 V等電壓輸出配置，同時(shí)通過輸出寄存器配置可實(shí)現(xiàn)16通道不同范圍的電壓輸出。DAC81416通過SPI協(xié)議與FPGA之間通信，每次需寫入24位數(shù)據(jù)，包括前8位的寄存器地址和后16位的寄存器數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用19片DAC81416，可實(shí)現(xiàn)304通道的模擬電壓輸出，輸出電壓范圍配置為-5～5 V。單片DAC81416電路圖如圖7所示。

3 "系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 "光纖通信模塊軟件設(shè)計(jì)

使用多模光纖LC接口實(shí)現(xiàn)GTP光纖通信，通過VIVADO軟件的7 Series Transceivers Wizard配置GTP端口[10]。GTP設(shè)置為4通道，數(shù)據(jù)傳輸速度設(shè)置為3.125 GB/s，位寬為16 b。選用8 b/10 b的編碼方式平衡發(fā)送的0和1。接收對(duì)齊采用K28.5同步碼。接收時(shí)通過rx_chardisk判斷是否為有效數(shù)據(jù)，rx_chardisk為0x01時(shí)，為無效數(shù)據(jù)；rx_chardisk為0x00時(shí)，為有效數(shù)據(jù)時(shí)間段。當(dāng)無數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)使用16位0x90BC同步。光纖通信流程如圖8所示。

圖8中，光纖1～光纖4分別負(fù)責(zé)96、176、16、16通道的數(shù)據(jù)傳輸，并把數(shù)據(jù)存在對(duì)應(yīng)16×16的RAM中，便于DAC讀取數(shù)據(jù)。

3.2 "網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

STM32為網(wǎng)絡(luò)通信端的主控芯片，需連接W5300和FPGA通信，采用FSMC總線通信。FSMC管理1 GB的映射地址空間，其被劃分成4個(gè)大小為 256 MB的BANK，每個(gè)BANK的256 MB空間被均分為4個(gè)64 MB的空間[11]。在STM32與W5300、FPGA之間進(jìn)行通信時(shí)，W5300和FPGA作為STM32外部的SRAM被訪問[12]，根據(jù)支持的存儲(chǔ)器類型確定存儲(chǔ)塊地址為BANK1。BANK1的256 MB空間由28根地址線HADDR[27：0]尋址，其中HADDR[25：0]來自外部存儲(chǔ)器FSMC_A[25：0]，而HADDR[27：26]是對(duì)4個(gè)區(qū)進(jìn)行尋址[13]。當(dāng)連接外部寄存器為16 b時(shí)，一個(gè)地址就可以操作一個(gè)16 b數(shù)據(jù)，相當(dāng)于地址數(shù)減半位寬加倍，所以HADDR[25：1]=FSMC_A[24：0]。在與W5300和FPGA進(jìn)行通信時(shí)，將數(shù)據(jù)地址乘以2，在STM32中訪問就可以。FSMC總線存儲(chǔ)塊地址映射如表2所示。

3.3 "模擬電壓輸出部分軟件設(shè)計(jì)

DAC81416支持普通模式、同步模式、差分輸出模式等輸出方式。由于304通道需同步輸出，所以使用同步模式，用LDAC信號(hào)同步加載所有通道數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備上電時(shí)需要對(duì)寄存器初始化配置一次，便于后面寫入電壓數(shù)據(jù)。初始化配置時(shí)，需對(duì)SPICONFIG Register寫入0x0A84激活設(shè)備、SYNCCONFIG Register寫入0xFFFF打開通道LDAC同步、DACRANGEx Register寫入0x9999設(shè)置±5 V電壓輸出、TRIGGER Register寫入0x0010使能LDAC、 GENCONFIG "Register寫入0x3F00使用內(nèi)部參考源、DACPWDWN Register寫入0x90000設(shè)置DAC上電模式。其中，初始化通過ini_flag信號(hào)開始，其余狀態(tài)通過計(jì)數(shù)器DA_DATA_cnt=8'd127標(biāo)志當(dāng)前狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寫入完成，跳轉(zhuǎn)下一狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寫入。單個(gè)DAC81416上電初始化狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖9所示。

4 "系統(tǒng)測(cè)試

4.1 "模擬電壓輸出測(cè)試

由于光纖與網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，但DAC輸出無較大差別，因此只展示部分使用光纖傳輸數(shù)據(jù)并輸出電壓的結(jié)果。電壓輸出通道隨機(jī)選擇，輸出類型為直流、正弦波電壓。使用示波器對(duì)電壓波形進(jìn)行測(cè)量，波形圖如圖10所示。圖10中輸出電壓大小正確、波形穩(wěn)定、無掉零與尖峰等毛刺。

4.2 "狀態(tài)采集與回傳測(cè)試

根據(jù)SHT30數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，相應(yīng)環(huán)境溫濕度公式為：

[RT=-45+175·ST216-1] （9）

[RRH=100·SRH216-1] （10）

式中：[ST]、[SRH]分別是采集的溫度（單位為：℃）、濕度數(shù)據(jù)。

ADC128S電壓采集對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式（11）所示。

[Vi=VA4 096·CODE] （11）

式中：[VA]接5 V電壓；[CODE]為對(duì)應(yīng)編碼；[Vi]為采集電壓大小。

RS 422回傳測(cè)試圖見圖11。其中圖11a）左邊框?yàn)锳DC采集電壓數(shù)據(jù)，最后一路為接入PT100采集的電壓數(shù)據(jù)，右邊框?yàn)镾HT30測(cè)量的溫濕度數(shù)據(jù)。圖11b）為使用示波器檢測(cè)的25 Hz回傳波形圖。由于回傳時(shí)設(shè)置為數(shù)據(jù)低位在前、高位在后，那么PT100所對(duì)應(yīng)的采集電壓數(shù)據(jù)為0x04F0，2個(gè)SHT30采集的溫濕度數(shù)據(jù)分別為0x6660、0x572A、0x6647、0x5799。按照式（9）～式（11）進(jìn)行換算，得到SHT30采集的溫度約為24.98 ℃，相對(duì)濕度約為[34.21%]，ADC采集電壓為1.542 V，溫度約為18.4 ℃。使用電子測(cè)溫計(jì)對(duì)SHT30測(cè)量，發(fā)現(xiàn)正常工作時(shí)溫度為25 ℃左右，與測(cè)量相符合。SHT30測(cè)量為環(huán)境溫度，與當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度一致。

5 "結(jié) "論

本文利用FPGA+STM32設(shè)計(jì)一款多功能壓電陶瓷控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光纖與網(wǎng)絡(luò)+FSMC總線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，兩種通信方式通過配置可實(shí)現(xiàn)304通道的模擬電壓輸出。此外該系統(tǒng)利用PT100與溫濕度傳感器SHT30分別測(cè)量環(huán)境數(shù)據(jù)，通過RS 422接口以25 Hz頻率回傳上位機(jī)并顯示。同時(shí)，本文介紹各部分的設(shè)計(jì)思路，為多通道壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制方案提供了新思路。

注：本文通訊作者為李學(xué)華。

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