MEMS微鏡測試性能系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程

1、MEMS微鏡測試性能系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程主揑制STM32F105VET6司生嚴(yán)的基于ARMCortex-M3內(nèi)棧的高啊能挖制器它為衣系統(tǒng)嵌入貞咸控劃八廠</.<".i：r/"'.-.L-J.；'ARMCortex-M內(nèi)垓的控制壽具育高性能、休積小、功耗假、片上叮逸擇事種外設(shè)等優(yōu)點(diǎn).現(xiàn)衣槪廣泛應(yīng)用于丁業(yè)實(shí)時挖制、儀器儀表、ffifiJiSSr.彖用電器等備個領(lǐng)域也ISTMJ2riO5VET6具石*富的片內(nèi)益源和外設(shè)資源，片內(nèi)帯fj64KB的SRAM和512KB的FlhROM.S高工作頻率達(dá)到於此外還具有豐富的外設(shè)接口畫源包括址時器f四亍適用定時

2、器（TIM2,TIM3,TIM4.TIM5X兩個髙級控制定時器（TIM1>TtMS>.兩個基本定時藩<TIM6.TtM7）L珈們接口（三個API接口、阿,】1C接口、五咿UMART按口*個CAN接口）SD牛通用GPJOLL1個16迺逍的12位ADC椎塊和阿牛J2RDAC轉(zhuǎn)換器.國4-1址STM32F103VL16的內(nèi)部資源結(jié)構(gòu)耦架BNJTR5TJTOI冰叩汕gKjreswpoJTIX>tflaFituexajrI'A-卩JBIASjrnu|wJTAQCctt»“)CPUNV1C4psqOfcuQEWfEHIMgrmAiTRliotHCV.«A

3、F-也:<»CjhO5C.OUT_at-«ewtonewbijGPDWA2mw4cMrr*aETHasAFi1*伴>JcfurmiFTRMA初soCp>|GPPpcxQy.4crwifWtMATDMK)|i5q<郵asrxhcbiatEg于Qg.F、RXTXatAF:ScScK1MCKSSTSAlAFQCLSDAfUSAMJirfiCL£gUJQAMM<>|XANtbiU.U£4ftT!|<3az$CMCCCWUi-PCLK1>PCIN2-CKooAFFKTX.CTORT6.CKasAfRiftrf?HhW

4、s«4Mrow.Ast-GPDUA17OMT厶聽蕊畀MS“r=wmro1G«7門倍二Pll.OW32in»az.05TAMcninoAi_A&u0eM>out比iwr<打陽9心c匕=>8F1CD畸供q4ch3m-w4r9<otUumirMt4啊ETRi"4<*aiv»ieDvrntid(iurrnaiATSPH2SM<fiAOC1M辰ccw»mnk>fbe$AOCb&AOC«jrUcnAX)C3irtMaocieg124ftAOC?一"OMoc.ouneAF

5、-DaCjOVISe"基本系統(tǒng)設(shè)計S1M32支持的復(fù)位形式主要有三種:系統(tǒng)復(fù)位上電復(fù)位和備份區(qū)域圮位I切.其中系統(tǒng)復(fù)包冇五種：外部豆位（NRST管腳上為低電平）、窗口看門狗計敵終止（WWDG復(fù)位）、獨(dú)立看門狗計敵終止（IWDG旦位）、軟件貝位（$W貝位）和低功耗管理復(fù)位。電源臭也有在上電膺電和從待機(jī)棋式中返回兩種,備份更位在VDD和VBAFW者捧電的前提卜.VDD和V11ATI.電引庚備份區(qū)域口位。設(shè)計中采用外部復(fù)也和上電復(fù)位這兩種方式:外部貝位NRST管腳接貝包按鍵上，通過復(fù)位按鍵按下提供低電平實(shí)現(xiàn)外部復(fù)位匕電復(fù)位是對電源電樂進(jìn)行檢測.半電祿電圧超過閾值時.POR電路產(chǎn)生一個內(nèi)部邏

6、輯復(fù)位信號.STM32F1O3系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）由三個不同的時鐘源進(jìn)行駆動;HSI（髙速內(nèi)部時鐘信號）、HSE（高連外部時鐘信號）和PLL時鐘。本系統(tǒng)中外部時鐘源収8M晶振經(jīng)過PLL提供系統(tǒng)時鐘聞髙系統(tǒng)時鐘可以達(dá)到72MH乙與此同時主挖苦片中還冇兩個二級時鐘源：40KHZ的低速內(nèi)部RC.用來選抒驅(qū)動RTC:32.768khz的低速外部晶嫌，用來選擇驅(qū)動RTC（RTCCLK）對于STM32的啟動模式配置為主閃存存儲器啟動（BOOT1=0.BOOTH啟動模式如圖43所示_=_a-_三二trl一rIP_=_a-_三二trl一rIP二三三三二三三IT一一一二三三二圖4-2STM32F1O3VET

7、6基本系統(tǒng)設(shè)計BOOTfiAiSIf引即啟動核式BoonBOOTOX0主閃存右儲器主僅仗器慨送作啟功【01召僥存僉怎被選仔幻總區(qū)i1內(nèi)IftSRAM內(nèi)IRSRAM被邊作啟蛀區(qū)ra4-3STM32FIO3VET6用動欖成采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)2()腳JTAG仿真調(diào)試接口.JTAGfj號的定義及與STM32F103VET6的連接如圖4-4所示。在RTCK引腳接一個4.7K下拉電餛便系統(tǒng)復(fù)位后STM32內(nèi)部JTAG接口使能進(jìn)行在線調(diào)試.4.2電源電路設(shè)計考電到運(yùn)放電路的放大范圍.幣個系統(tǒng)輸入電壓為9Vo為簡化挾制板電源模塊.因此電路板在設(shè)計過甩中選抒的芯片都采用5V或3.3V供電，電源芯片選用了T

8、LV1H7_5O和TLV11是TI公可降圧型穩(wěn)壓器,該芯片輸入電壓范帯為3V-15V,輸出電流可以達(dá)到系統(tǒng)需求同時散熱效果及好。將9V電壓轉(zhuǎn)換成5V和3.3V電壓的轉(zhuǎn)換電路如圖45所示土圖45電源電路43驅(qū)動模塊腴件i殳計43.1驅(qū)動電路MEMS傳感器駆動電路設(shè)計中選用12位DA轉(zhuǎn)換芯片DAC7611提供馳動電壓.這款芯片具有以卜'優(yōu)點(diǎn)：1. 低功耗：2.5mWo2. 快逋建立時何:71ms到1LSB.3lmVLSB帰大輸出電樂4.095V.4. 三線接I】，時鐘頻率可以達(dá)到20MHZ5. 具冇斥步芟位功能這款芯片的通信方式為SPI通仙考慮到MEMS驅(qū)動電壓為四路輸出,采用SPI通們方

9、式既可以充分利用STM32F103VET6主控芯片的3個SPI通伯端口,又可以節(jié)約瑞口而且這款新片具仃較快的氏應(yīng)時間，輸出電壓lmC/LSB.A輸出電壓4.095V.憲全可以滿足MEMS傳感器驅(qū)動電壓的嚶求°圖46驅(qū)動電路低通濾波電路為減少驅(qū)動佇號宜流電n：.中的交流成分.保®nn流成分，抑制髙頻分量或下擾嗓再，設(shè)計中對D/A輸出電壓來用低通濾波電路進(jìn)行處理.常用的波波器育兩大類:仔源迪波和無池油波，無浙濾波電垮結(jié)構(gòu)比較簡單.山是它的通帶放人倍數(shù)及其截止頻率隨致栽的變化Iflj變化，不適合ti號處理要求髙的場合卩叫有源濾波的負(fù)栽不妙響濾波特性，常應(yīng)用們號處理耍求高的場合，皋

10、r以上分析.設(shè)計中采用rc網(wǎng)絡(luò)和集戚運(yùn)放LM324組成仃源低通澹波器如國牛7龍磴涉波功能。R14-7淀波電路電用放人電路lilfDAC7611所能提供的電壓晟大值為4.096V,這個屯用也只是MEMS傳感器安全工作迫斥。測MEMS傳感藩的最人偏角必須提供更大府驅(qū)動電氏，為了満足最大偏角測吊設(shè)計中采用LXB24集成運(yùn)放組成電用放大電路如圖4胡聽示，通過調(diào)節(jié)電位器的陽值的大小提供所需耍的乩動血壓.4.4通信模塊設(shè)計STM32和上位機(jī)Z阿通信便用串口通信方式考慮到現(xiàn)在很多FC匕己經(jīng)沒有串口的接口，一股祁fjUSB接口，所以在設(shè)計中采用了串口粹USB口通伯卩叫從而方側(cè)實(shí)現(xiàn)STM32和PC機(jī)通仏主控芯片

11、PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的種離度集成的RS232_USB接口轉(zhuǎn)換器，可以提供一個RS232全雙工異步申杼通位裝置與USB口便利連接的解決方案。作為USB/RS232女向轉(zhuǎn)換器，一方聞從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并且轉(zhuǎn)換為RS232伯息流恪式發(fā)送給外設(shè)：另一方而從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)恪式送回主機(jī).USB轉(zhuǎn)串口通信模塊如圖4-9所示;陽49USB轉(zhuǎn)串口通怙模塊4.5PSD數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計圖410數(shù)據(jù)采集模塊rtlPSD們號輸出為電樂輸岀形式，電壓輸出范圍為-10V-+10V.為了準(zhǔn)確采集光學(xué)傳感器反射光線的位賈變化確保傳備器偏轉(zhuǎn)角度的桔確測雖.必須對PSD電壓信號進(jìn)行韜確測

12、雖PSD信號采集電路的設(shè)計從以下兩點(diǎn)考慮!1. -10V-.+10V輸出的寬電壓范囤.股AD芯片測魚:范開達(dá)不到.必須加入電樂衰減電路進(jìn)行們號偵處理電壓衰減電路的引入必然會產(chǎn)生謀望而且是止負(fù)電壓怕號采集。2. 采用雙電源供電增加了電路的復(fù)雜性.從以上兩點(diǎn)出發(fā)PSD電壓伯號讀取采用ADC7895芯片，AD7895-10足一款快速，12位的AD轉(zhuǎn)換芯片，采用+5V社電源供電,測址范圍在-10VM-10V完全可以満足對PSD電壓伯號的準(zhǔn)確測量,外I科提供的參考電壓Vref=2.5V時，1LSB=2OV/4O96=4.883MV,外鬧的2.5V參考是由分流式電壓基準(zhǔn)TL431組成的電路提供,參考電樂源

13、的誤髪在正如左右.保證/A/D轉(zhuǎn)換參考電壓的精度olinA<(VCC-VOUT)/Rl<500mA(條件)。AD7895是串行數(shù)據(jù)傳輸模式.能夠方便與STM32上的SPI接口連接.4.6電阻測量模塊設(shè)計設(shè)計中苛f傳感器驅(qū)動臂電陽特性測屋采用恒流源測電阻方法，恒流源測城電阻具方電路簡單、測量精確的特點(diǎn)1羽恒流源采用TI介司的集成的恒流源芯片REF200,此款芯片可以提供阿路髙箱度IO()pA±().5%的恒定電流源.寬電壓輸入2.5V-40V,低溫度瘀數(shù)±25ppm/C由JMEMS動骨電阻值范圍在200歐婀左右如果育接采用恒流源接入電路中，驅(qū)動腎上的電壓降只fi2

14、0MA左右號慮到使用STM32內(nèi)部AD進(jìn)行電壓采集的精度C最髙0.8MV）在設(shè)計中使用高精度運(yùn)放0FA6O2組成的放大電路對電流進(jìn)行方法并且電路中加入采樣電阻的方法進(jìn)一步提高測吊待度。采樣電選用100吹姐帝度±0.1%OPA602電流放大電路如用411所示，經(jīng)過放大后的電流為I=（N+1）*Is.整個恒流源俱塊如國4-12所示.適過采集采樣電陰兩瑞電壓來實(shí)觀電阻測呈°圖4-12電阻測呈棋塊4.7功能切換電路為實(shí)現(xiàn)對光學(xué)MEMS傳感器驅(qū)動佇號和電阻測呈不同功能的切換.在木泵統(tǒng)中采用了懊擬幵關(guān)ADG849配介狀件實(shí)現(xiàn)電躋切換。功能刃換電路在彩電到測雖MLMS傳感器電阻時必須切換電路引入導(dǎo)通陰航較小，從而提高阻抗測雖的Vi確度。從設(shè)計的角度出發(fā)，自動切換電路可以選用維電2S和模擬電子開關(guān)兩種方式實(shí)現(xiàn)。如杲采用繼電器作為功葩切換開關(guān)，雖然可以達(dá)到導(dǎo)通肌抗低的歐果，但是細(xì)電器的聽動電壓一般祁在卜兒伏以上.驅(qū)動電流相對校大，而且成木比校高.模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)電路切換具17導(dǎo)通陰抗低和驅(qū)動電壓小的優(yōu)點(diǎn)，-股取路或占箏路模擬開關(guān)導(dǎo)通陰抗W-V兒歐姍左右，ffnMLMS傳感器驅(qū)動臂的阻抗-股在20()哦姆左右.顯然不能滿足需求,因此在本系統(tǒng)屮選用A