引言
近年来，随着微/纳米技术的蓬勃发展，加工、测量都要求一个稳定的环境，以提高加工、测量精度。然而振动干扰无处不在，室外交通、室内人员走动、机械设备运转等均可能造成振动干扰。大地产生的振动频率约为0.1～10 Hz，实验室人员走动所产生的振动频率约为1～3 Hz，一般建筑物的振动频率约在10～100 Hz之间。而且这些振动都很难彻底消除，所以振动的抑制与隔离就尤为重要。
振动的抑制与隔离方法有多种，通常将振动隔离技术分为被动隔振技术和主动隔振技术。音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）是电磁线性电机中的一种，最早用于扩音器。因其具有结构简单、直接驱动、维护容易等优点，并具有良好的加速、减速性能，所以VCM激励器常用于需要快速、运动受控的设备等场合，如DVD中的伺服控制、硬盘，以及摄像机镜头等[1]。本文选用VCM作为低频主动隔振系统中主动吸振器的驱动器，并给出了软、硬件设计方法。
1系统硬件设计
VCM控制系统硬件电路采用TI公司的TMS320F2812（以下简称F2812）作为控制系统核心。该芯片是一款功能非常强大的32位定点DSP芯片，既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。时钟频率为150 MHz，能够满足系统实时性要求。另外，该芯片还支持96个外部中断、丰富的外部存储器接口等。VCM控制系统结构框图如图1所示。
图1VCM控制系统结构框图
图1中，电源模块为系统提供各种规格的电源需求；DSP最小系统模块是控制系统的运算处理核心；数据存储模块分别采用IS61LV25616AL和SST39VF800Q扩展了8 Mb Flash和4 Mb RAM；CPLD扩展模块采用EPM3256A系列的CPLD扩展了人机交互模块和RS232和USB2.0通信模块；加速度传感器信号采集电路是主动隔振系统的振动干扰检测模块，即控制系统的前向通道；VCM驱动电路模块为控制系统的后向通道。
在主动隔振系统中，采用的是ICP式加速度传感器来检测隔振平台的振动情况。传感器的输出为±5 V的电压信号，为了获得足够的分辨率和线性度，选用了ADI公司的24位ΣΔADC转换芯片AD7734。其非线性度不超过±0.0025%，并具有SPI通信接口。通过配置AD7734的内部寄存器，可以直接采样加速度传感器输出的±5 V信号。前向通道的电路原理图如图2所示。其中，AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以提供2.5 V输出。
图2前向通道电路原理图
VCM驱动电路原理如图3所示。VCM是永磁式直线型电机，改变线圈控制电压的方向和大小，即可改变VCM的运动方向和定位位置，且其定位精度与控制信号的分辨精度密切相关。为了获得较大的驱动能力，选用了TI公司的双全桥PWM电机驱动芯片DRV8402。该驱动芯片可以工作在500 kHz的切换频率下，操作电压为12～50 V，可持续输出10 A电流，峰值电流高达24 A；能100%线性还原输入的PWM，对控制精度无损。采用F2812的PWM输出模块与DRV8402配合使用，VCM的控制精度可达16位。
图3VCM驱动电路原理图
2系统软件设计
为了满足控制系统的实时性要求，在参考μC/OSII的基础上，结合F2812的32位硬件定时器Timer 2，编写了一种基于时钟节拍和消息机制的软件系统。该软件系统完全由C语言编写而成，对硬件的依赖度小，可以很方便地移植到其他的硬件平台上。该软件系统核心文件的说明如表1所列。其中，硬件依赖度分为3个级别（1～3），数字越大依赖度越大。
表1软件系统核心文件的说明
核心文件之间的包含调用关系如图4所示。其中，math.h为编译器自带的头文件。
图4软件系统核心文件包含调用关系图
软件系统的架构可以用图5所示的3个流程来表示。图5（a）是主程序流程，即该软件系统的前台操作流程。在主程序的大循环（while(1){;}）中，系统会不断地从消息队列中取消息，判断消息类型，然后根据消息类型和消息值执行相应操作。图5（b）是系统时钟节拍的中断服务函数流程。该时钟节拍由硬件定时器Timer 2(T2)产生，节拍周期可调，通常为20 ms。每个时钟节拍周期到了之后，系统中断并进入中断服务函数，执行T2例行程序，这是系统的后台操作。图5（c）是T2例行程序的流程。进入该例行程序，首先检查有没有软件时钟，如果有则调用软件时钟服务函数，然后执行系统例行程序。如果没有，则直接调用系统例行程序。
图5系统流程
软件时钟是一种基于系统时钟节拍的定时操作，可以把它理解成闹钟，即每个一定时间都执行某一操作，或仅是单次操作。软件时钟对应的操作，可以送进消息队列在前台执行，也可以在中断中执行。但不宜把太多的软件闹钟设为在消息队列中执行。表1软件系统核心文件说明文件名硬件依赖度说明os.h 1最高级别的头文件，包含其他所有的头文件typedef.h2数据类型重定义头文件，包含目标硬件头文件typedef.c 2typedef.h对应的C文件msg.h 1消息传递机制的核心文件，声明了消息传递机制所有操作函数的原型msg.c 1消息传递操作函数的实现hardtimer.h 3系统时钟节拍核心文件，硬件时钟Timer 2相关操作函数的声明hardtimer.c 3硬件时钟操作函数的实现softtimer.h 1软件时钟（软件闹钟）操作函数原型声明softtimer.c 1软件时钟操作函数实现routine.h 2系统例行函数原型声明routine.c 2系统例行函数实现boot.c 3系统入口，main函数所在文件
消息传递机制是该软件系统前后台配合的纽带。所有后台操作或外部请求都可以通过消息包的方式送进消息队列，然后在前台以取消息、解消息的方式获取需要处理的信息，然后执行相应的操作。目前，消息队列是FIFO的方式，不支持优先级，在实际应用时一定要保证消息队列的容量足够大。
结语
经过实验调试，基于该VCM控制系统的低频隔振平台能有效地动态抑制外界振动干扰。此外，基于时钟节拍和消息机制的软件系统被多次移植到其他项目应用上，均取得了良好的效果。