高速振镜扫描控制系统的研制

北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 5IX 页 单位代码 10006 学 号 10101045 1分类号 TN953 毕业设计(论文)高速振镜扫描控制系统的研制 学院名称生物与医学工程学院 专业名称生物医学工程 学生姓名曹 桂 明 指导教师李 昂 2014年 5月 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 VI 页 高速振镜扫描控制系统的研制 曹桂明北京航空航天大学 本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者： 曹 桂 明签字：时间：2014年 5 月高速振镜扫描控制系统的研制 学 生：曹桂明 指导教师：李 昂摘 要光学相干层析成像是一种新型的生物医学光学成像技术，它可以对生物组织进行非侵入式，或微侵入式层析成像，成像的空间分辨率可以达到10um之内，成像深度可以达到2-3mm。这种技术以能够提供浅层软组织的微观形态图像而著称，在眼科、心血管科、肠胃科等领域都已经获得了广泛的临床应用。在实验室现有条件的基础之上，我们进行了有关光学相干层析成像系统的扫描控制系统的研制。在硬件方面，我们通过设计控制板卡，将各个控制部分集成化。首先，我们设计了四轴步进电机控制板卡，可以程控、也可手动控制高精度二维载物平台的X，Y平面移动、Z轴焦距调整以及扫描镜头旋转角度的调整；另一方面，我们设计了扫描振镜和线阵相机的控制板卡，这是整个控制系统的核心。上位机指令通过DA转换并放大，转换为模拟电压信号，从而控制振镜的偏转；然后，通过AD转换将振镜的位置反馈给上位机，在合适的采样时机触发线阵相机曝光。在软件方面，一方面是对于步进电机输入方式的鉴定，包括方向/脉冲和CW/CCW两种输入方式。通过拨码开关选择相应的控制方式，输出相应的控制信号。另一方面是基于FPGA进行的扫描振镜的偏转和线阵相机的触发控制。整个FPGA控制程序包括串口通信模块、DA转换模块和AD转换模块，采用Verilog HDL编程语言，进行模块化设计。通过FPGA全并行控制系统中各个模块，大大提高了系统的运行速度和精度。通过实验证明，本课题的控制系统能够实现三角波扫描频率达到170Hz。配合线阵相机，在每秒钟能够生成340像素*340像素*512像素的三维图像。相比于实验室中现有的OCT系统，三维成像速度可以提高超过300倍。关键词：光学相干层析成像、三维成像、扫描振镜、步进电机The development of high-speed galvanometer scanning control systemAuthor : Cao Guiming Tutor : Li AngAbstractOptical coherence tomography (OCT) is a novel technique that enables noninvasive or minimally invasive, cross-sectional imaging of biological tissue at sub-10m spatial resolution and up to 2-3mm imaging depth. This technology is known for the shallow images of soft tissue morphology. It has gained wide clinical application in the field of ophthalmology, cardiology, gastroenterology, etc. On the basis of the existing conditions in our laboratory, we develop a three-dimensional OCT imaging control system.On the hardware side, we design the control board through the integration of various control sections. First, we designed a four-axis stepper motor control board so that the stepper motors can be either programmed or manually controlled, the control board can control the movement of platform X, Y axis, Z -axis scanning lens focal length adjustment and the angle of rotation adjustment; On the other hand, we designed the control board of galvanometer scanning and linear array camera, which is the core of the whole control system. Through digital-to-analog conversion and amplification, PC commands were converted to an analog voltage signal to control the deflection of the galvanometer; then through the AD converter, position of the galvanometer was feedback to the host computer, to trigger the sampling line array camera exposure at the right time. On the software side, the software should identify stepper motors inputs, including direction / pulse and CW / CCW input methods, on the one hand. We select the appropriate control mode by dialing switch, and the board can output the corresponding control signals. On the other hand, the software controls the scanning galvanometer deflection and linear array camera based on the FPGA. The FPGA software system controls the entire process, including the serial communication module, digital-to-analog conversion module and analog-to-digital conversion module. We use Verilog HDL programming language to design the whole system. The FPGA controls each module in parallel, greatly improved the speed and accuracy of the system.This control system has been proved by experiments that it is able to makethe triangle wave sweep frequency up to 170 Hz. So it can produce a 3-D image of 340 pixels * 340 pixels * 512 pixels per second with linear array camera. Compared with the existing OCT system in the laboratory, the three dimensional imaging speed has been raised by more than 300 times.Key words：Optical coherence tomography, three-dimensional imaging,scanning galvanometer, stepper motor目录目录51 绪论11.1 研究背景及现实意义11.2 国内外研究现状21.3 论文构成及研究内容42高速振镜扫描控制系统原理及组成52.1 光学相干层析成像原理52.2高速振镜扫描控制系统概述82.2.1系统机械结构82.2.2 扫描振镜92.2.3 滑台102.2.4 步进电机112.2.5 控制系统概述113 高速振镜扫描控制系统的控制板卡设计133.1 四轴步进电机驱动控制133.1.1 PIC单片机控制电路133.1.2 CPLD控制电路153.2振镜扫描及相机触发驱动控制163.2.1 电源模块163.2.2 串口通信模块173.2.3 DA转换模块173.2.4 AD转换模块183.2.5 FPGA控制模块194 高速振镜扫描控制系统的控制程序设计204.1 四轴步进电机驱动控制204.2 扫描振镜的转动控制214.2.1串口通信模块224.2.2 DA转换模块244.2.3 AD转换模块264.3 相机触发扫描同步控制27结论28致谢29参考文献30附录A 串口配置DA转换Verilog HDL程序31附录B AD转换Verilog HDL程序48北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 58 页1 绪论1.1 研究背景及现实意义光学相干层析成像（optical coherence tomography， OCT）是近年来发展较快的一种新型的生物医学光学成像技术，能对生物组织内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像，具有快速、非侵入及高分辨率等特点，在生物组织的微观结构分析和疾病诊断等方面具有重要的应用价值1。生物医学光学成像领域包含各方面的技术，它能够生成医学图像来为临床应用或医疗科学服务。传统的医学成像手段，例如超声成像(ultrasonic imaging)、磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）、X射线成像(X-ray imaging)和计算机断层扫描成像（computed tomography， CT），已经研究发展很长一段时间了，它们在医学研究和临床诊断也得到了广泛的应用。然而，由于它们受限的空间分辨率和遗留下来的技术瑕疵，使得这些技术不能够探测生物组织微观尺度的形态学变化，而这些变化对一些疾病的早期诊断是很重要的。另一方面，尽管共聚焦显微成像和多光子显微成像等光学成像技术，能够提供微米尺度以下的空间分辨率，但是它们缺少足够的成像穿透，而且对体内器官成像时，不能进行在体非侵入式成像。而光学相干层析成像则是这些成像技术的很好的补充。光学相干层析成像(OCT)作为一种新型的成像技术，它类似于超声成像，但是通过采用更短波长的光，能够提供更高的空间分辨率。此外，由于光学相干层析成像能够实现2-3mm的成像深度，比传统光学成像技术的成像深度更深。这些独一无二的特点，像图1.1中表明的，使光学相干层析成像有填充光学成像（共聚焦显微成像和多光子显微成像）和传统临床成像（超声，X射线，磁共振成像）的缺口的潜力2。图1.1 成像系统性能比较目前实验室中已有一台光学相干层析成像系统，它可以实现二维扫描成像，成像速度也满足需求，但是它在控制系统设计方面有一些缺陷。首先：它的各个控制部分相对独立，并没有进行集成化设计；其次，它只能实现二维自动扫描成像，在三维成像时只能通过手动完成，不能实现三维自动扫描成像。 基于目前OCT控制的缺陷，我的毕业设计课题目标是设计相应的高速振镜扫描控制系统，课题主要目标有两个：一是实现程控系统中的高精度二维载物平台的平面移动、对焦焦距的调整、以及扫描镜头旋转角度的调整；二是通过串口发送上位机指令，控制扫描振镜的精确扫描以及线阵相机的同步触发曝光。通过本课题的研究成果，可以实现控制系统板卡式集成化设计，使OCT系统的自动扫描成像维度从二维提升至三维，并且实现电动自动扫描，提高扫描速度和精度。1.2 国内外研究现状1990年，Fercher A.F.利用双光束时域弱相干干涉仪对人眼内部的长度进行了测量3，这是光学相干层析成像的应用开端。1991年，美国麻省理工学院的Huang D首次提出光学相干层析技术这个概念，并成功使用光学相干层析系统对人眼视网膜和冠状动脉壁中的显微结构进行断层成像4。此后的十几年间，光学相干层析技术成为了国内外研究人员的研究热点。1993年，Swanson E.A.等人利用光学相干层析系统获取了活体人眼视网膜的光学相干层析图像5。1996年，Izatt J.A.等人将光学相干层析技术应用于肠胃组织的断层成像6。1997年，Colston B.W将光学相干层析技术应用于牙齿的断层成像7。光学相干层析技术不仅在生物组织探测中获得了巨大进展，同时也被成功应用在材料检测等其它领域8，拓展了光学相干层析技术的应用范围，并进一步提高了光学相干层析系统的性能。国际上有众多研究机构开展光学相干层析成像研究。国外从事此项研究并已取得突出成就的研究机构主要有：美国MIT的Fujimoto研究组、University of Vienna的Fercher研究组、Case Western Reserve University的Izatt研究组、University of California的Zhongping Chen和J.S.Nelson研究组、英国Keele大学的 Ruikang Wang研究组、香港科技大学的Schmitt等等。在这些小组中，美国MIT的Fujimoto教授小组创办的公司成功地将OCT技术与眼底相机等联合，制成了用于眼底视网膜成像的具有光学相干层析成像功能的组合仪器，并已商品化9。另外，结合内窥镜的医用OCT成像仪也正在研制中。国内从九十年代中期开始关注光学相干层析成像技术，主要的研究单位有:清华大学深圳研究生院光学检测实验室，在光学相干层析成像产业化方面做出了很大成绩，己经成功地研制出国内用于眼科的光学相干层析成像样机以及用于检测珍珠的样机；清华大学单原子测控实验室进行了激光CT光散射模拟计算以及实验系统研究与图像处理研究；华中科技大学光学相干层析成像实验室对光学相干层析成像轴向图像的形成机理及传递函数进行了剖析；中科院上海光机所在共焦扫描成像理论研究的基础上对光学相干层析成像进行了实验研究；南开大学光电子中心对1300nm的光学层析成像与生物组织折射率进行了研究；天津大学建立了光学相干层析成像系统，利用蒙卡进行了模拟光学相干层析成像图像方面的研究。近年，光学相干层析成像的一种新技术频域光学相干层析成像（Frequency Domain Optical Coherence Tomography，FD-OCT)正在兴起。这种OCT系统的灵敏度和成像速度与之前相比，有很大的提高，将是未来光学相干层析成像研究工作的重点。随着研究光学相干层析技术的机构不断增加，师资力量以及研究人员不断增强，产业界的积极推动，光学相干层析成像技术及其在相关领域的应用会得到更快、更新的发展，并最终实现产业化10。1.3 论文构成及研究内容本文首先介绍了光学相干层析成像的系统原理，并简要介绍本课题中使用的扫描振镜、平移台等硬件组成，以及高速振镜扫描控制系统的整体设计思路及方案设计（第二章）。然后介绍了本课题中高速振镜扫描控制板卡的设计，包括四轴步进电机控制板卡，扫描振镜和线阵相机的触发控制板卡（第三章）。然后，介绍了本课题中相应控制程序的编写设计，重点是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)对步进电机的输入方式的鉴定，以及基于FPGA(Field Programmable Gate Arrays)的扫描振镜和线阵相机的同步控制（第四章）。第三章和第四章所述是本课题的研究重点。最后，对整体的设计过程进行总结，并且对未来的进一步发展进行展望（结论）。本课题的主要目的是构建三维光学相干层析成像系统所需的控制系统。在软硬件研究设计过程中，始终坚持模块化设计理念。硬件设计方面，我们设计完成了相应的控制板卡，对系统中的步进电机、扫描振镜、线阵相机等进行精确运动控制。软件设计方面，主要是编写基于硬件板卡的底层控制程序，并进行仿真调试。具体的程序设计，请参考附录A和附录B。光学相干层析系统的搭建涉及大量的工作，包括机械零件的组装调试，光路的调整以及各个组件之间的相互协调配合。由于时间原因，我的毕业设计课题只涉及到系统控制部分的设计及调试。日后还需要一段时间才能完成整个系统的设计，届时此系统可以完成样品的三维自动扫描成像，为以后的科学研究打下基础。2 高速振镜扫描控制系统原理及组成2.1 光学相干层析成像原理光学相干层析（OCT）是以光的干涉技术为基础的，而光的干涉技术的最广泛的应用就是迈克尔逊干涉仪。如图2.1中所示，用一个单色光源照亮干涉仪，光束通过一个特定的光线分离器分成参考臂和样品臂。从每一个臂反射回来的光线通过光线分离器组合，然后射向光子探测器。如果两束光的光程差在光源的相干长度范围之内，则会在探测器上发生干涉，产生干涉条纹。图2.1 迈克尔逊干涉仪对于参考臂的电场，我们用ER来表示；而样品臂的电场，我们用ES来表示，那么则有：ER= ARexp-i2klR-t (2.1) ES= ASexp-i2klS-t (2.2)其中A表示振幅，k表示波数，表示角频率。发生干涉之后的光强表示为I= IR+IS+2IRIScos(2kl) (2.3)其中IR，IS分别表示参考臂和样品臂的反射光强，l表示两臂的光程差。式(2.3)右端第三项包含了两臂的干涉信息，其强度是l的余弦函数。通过线性的移动参考镜面来调整l，一个被调制的频率为2vk的正弦信号边缘可以因此在探测器上被观察到，其中v是参考镜面移动的速度2。低相干干涉仪（Low coherence interferometer ，LCI）与上文提到的单色光迈克尔逊干涉仪光路结构完全一样，但是在低相干干涉仪系统中，采用宽带光源来取代单色光，从而产生低相干干涉。把式(2.1)，式(2.2)作宽带光源修正后，可以得到：ER()= AR()exp-i2k()lR-t (2.4)ES()= AS()exp-i2k()lS-t (2.5)由此我们可以得到：在低相干干涉仪系统中，干涉信号是一系列单色光干涉信号的总和。考虑最常见的连续光谱，这可以写成整个频率范围的积分，由此我们可以得到：I=-2IRIScos2kldRe-Sexp-id2 (2.6)其中S表示光源功率谱：S=AS()AR*() (2.7)式(2。6)中的相位项可以通过泰勒展开，可以表示为： =k02l+k02l-02l+k02-022l+ (2.8)假如我们暂不考虑色散问题，即当n大于等于2时，上式中k的导数项全部为零，带入(2.6)式后我们可以得到：IReexp-i02lp-S-0exp-i-02lgd-02 (2.9)式中p=0k0，g=0k0分别表示相位速度和群速度。假设激光光源有高斯功率频谱，服从中心频率为0的高斯分布：S-0=2exp(-0)222 (2.10)上式可以标准化为：-S(-0)d(-0)2=1 (2.11)其中表示光谱S的标准差。从而(2.9)式可化为IReexp-i02lpexp-22l2g2=cosk02lexp-22l2g2 (2.12)由式(2.12)我们可以看出，I有着高斯包络，并且被一余弦函数调制，如图2.2所示。图2.2 低相干干涉仪的干涉信号考虑到在不受约束的空间中，g=c，这个包迹线的半高宽（full width at half maximum， FWHM），也即相干长度，那么干涉长度为：LC= 2ln2020。4402 (2.13)式中0表示中心波长，表示光谱FWHM。因为低相干干涉仪系统使用了宽带光源，其相干长度LC变得比较短。而只有样品臂和参考臂反射回来的光，其光程差在相干长度之内时，才会发生干涉现象。利用这一特性就可以实现对样品反射回来的光信号进行深度筛选。如果配合参考臂长度线性改变，则可以通过“相干门”来实现对样品的深度扫描，即A型扫描。然后，配合扫描振镜和同步触发系统就实现了对样品的二维、甚至三维信息获取，从而可以进行二维、或者三维的成像2。光学相干层析技术主要利用弹道光和近弹道光所携带的样品信息进行成像。利用干涉门技术可以对样品不同深度的光学特性（折射率等）进行调制，然后对捕获的光学信号进行特定的解调处理就可以得到样品不同深度的断层图像。最初，OCT是基于时域的低相干干涉测量法来进行深度扫描的，称作时域光学相干层析成像（Time-Domain OCT， TD-OCT），后来Hausler和Lindner利用了光谱仪进行OCT成像，称作频域光学相干层析成像（Spectral-Domain OCT， SD-OCT）。该技术大大提高了OCT成像的速度和信噪比，使得高质量的实时三维 OCT成像成为可能11。2.2 高速振镜扫描控制系统概述2.2.1系统机械结构采用SolidWorks2012机械设计软件，进行系统机械结构的设计。SolidWorks机械设计软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，它功能强大，组件繁多，有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用12。在已有的二维载物台、升降台、旋转台这三个滑台基础之上，我们设计了扫描头、垫板、L支架、固定架等零件，并进行装配。整体设计结果如图2.3所示。图2.3 系统机械结构示意图由上图可以看出，系统中有一个二维平移台控制样品的X、Y轴移动、一个垂直升降台控制焦距的调整、一个自动旋转平台来控制扫描镜头的旋转角度调整。这三个滑台均由步进电机控制运动，为此我们设计了四轴步进电机控制板卡。这三个滑台结构都是采用现成的产品，确保能够满足我们的精度要求，具体参数在接下来将分别进行介绍。整套精密载物台、对焦系统以及自动旋转平台都可以采用两种控制模式：手动操作模式和程控工作模式。在手动工作模式下，通过转动手动操作台的四个编码手轮（分别对应载物台X-Y位移，Z轴对焦以及角度调整）实现对系统滑台的步进控制。控制系统采用FPGA实现全并行控制模式，以硬件的方式实现对手轮脉冲信号的解调，实现了载物台的微米级高精度测量功能。在程控模式下，FPGA接收上位机指令，XY载物台、Z轴对焦以及角度调整可以实现联动。通过软件指令设定预期的扫描位置或者样品的移动方案之后，系统可以全自动的完成样品的移动和自动对焦功能。2.2.2 扫描振镜振镜是一种优良的矢量扫描器件。它是一种特殊的摆动电机，光学扫描振镜是一种很成熟的光路扫描器件，主要用于光路切换，可以实现光路的快速扫描，具有扫描速度快，扫描角度和扫描频率稳定快速可调的优点。在光电测试技术中得到广泛应用，其工作时的步进动作为一定偏转角内的高速来回振动，因此称为振镜，目前广泛应用于激光扫描系统和双光束分光计中。扫描振镜的偏转角度与输入电流成正比，振动频率与驱动电源的调制频率成正比。因此可以通过调整振镜的输入电流和调制频率来改变振镜的扫描频率和扫描范围13。典型的扫描振镜如图2.4所示。图2.4 扫描振镜本课题中的二维扫描振镜是两个绕着X、Y两轴方向旋转的振镜电机，相互配合转动来带动反射镜偏转，进而带动经两反射镜反射后的出射光束运动，来实现平面扫描。为实现扫描振镜的匀速扫描，以减少扫描速率的波动对系统的影响，实验中采用三角波作为驱动信号，这样，扫描振镜在驱动信号的上升沿或下降沿时间段内可实现均匀扫描。本系统选用的扫描振镜是Cambridge Technology单轴小光束检流计振镜，在40扫描范围内可以实现99.99%的线性度，支持5mm和10mm的孔径，小角阶跃响应时间为0.5ms，零点漂移最大为15 微弧度，可重复度为8微弧度。2.2.3 滑台虽然在现有的OCT系统中采用扫描振镜来完成对样品表面的横向扫描。但是由于光路结构限制，扫描范围只能局限在1cm左右，如果需要更大的扫描范围则只能通过移动样品来完成。而配合该二维载物平台的程控功能，可以实现对大面积样品表面的扫描。系统选用的二维载物台型号是MISUMI KY1040C-R。台面尺寸100mm100mm，行程40mm，最高分辨率可以达到0.05mm，累积误差0.3mm，直线度1mm。配合步进电机驱动器，二维载物台的绝对定位精度可以达到1m以内。该二维载物平移台如图2.5所示。图2.5 MISUMI KY1040C-R二维载物平台本课题中的升降台的作用是控制扫描镜头焦距的调整。系统中使用的升降台即上文提到的二维载物平台的一半，所以只有一个维度。本课题中的自动旋转平台的作用是控制扫描镜头旋转角度的调整。系统中所选用的自动旋转平台系KOHZU RA10A-T。台面直径100mm，旋转范围3，分辨率0.0000265，空转0.002，角度重复定位精度0.003，水平承载能力98N（10kg）。该自动旋转平台如图2.6所示。图2.6 KOUZU RA10A-T自动旋转平台由于该自动旋转平台具有非常高的精度，可以在很小的范围之内对扫描镜头的旋转角度进行调整。2.2.4 步进电机步进电动机是一种增量运动的电磁执行元件，这种元件是将数字脉冲输入转换为旋转或直线增量运动的一种装置，当采用适当的控制时，步进电动机的输出步数(转角位移量)总是和输入的电脉冲数成正比，因此它可以作为开环位置系统工作。在增量运动方面，步进电动机可以用作具有迅速加速、减速和停机能力的运动控制器。步进电动机以具有低转动惯量、无漂移和无累积定位误差为特征，而且其控制线路经济简单，不需要反馈编码器和相应的电子线路，特别是近年来微型机方面的发展，使步进电动机的控制性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是非常实用的14。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。产品从相数上分有二、三、四、五相，从步距角上分有0.9/1.8、0.36/0.72。本课题中使用的步进电机系日本东方VEXTA 5相步进电机，步距角0.72，如图2.7所示。在步进电机驱动器控制下，带动滑台运动工作。图2.7 VEXTA 5相步进电机2.2.5 控制系统概述整个振镜扫描控制系统包括两方面，如图2.8所示。一方面，上位机与PIC单片机通信，根据CPLD对输入方式的鉴定，输出相应的控制信号，从而控制底层4个步进电机的运动，进而控制载物平台XY平面调整，Z轴焦距的调整以及扫描镜头旋转角度的调整。另一方面，上位机与FPGA通信，通过串口发送配置指令，包括振镜偏转起始位置、终止位置、步进距离等参数，由FPGA并行控制扫描振镜的偏转和线阵相机的同步触发曝光。图2.8 控制系统原理示意图基于如上所述的系统原理，分别进行硬件电路的设计及控制程序的设计。硬件电路设计方面，我们设计集成两个控制板卡，分别控制四轴步进电机运动、扫描振镜的偏转及线阵相机的触发曝光控制。程序设计方面，主要是针对两个控制板卡，设计相应的控制程序。首先是基于 CPLD对步进电机输入方式进行鉴定，输出相应的控制信号。另一方面，是基于FPGA的扫描振镜偏转以及线阵相机触发曝光的控制程序。3 高速振镜扫描控制系统的控制板卡设计3.1 四轴步进电机驱动控制四轴步进电机驱动控制板卡中的单片机采用的是PIC单片机，型号是PIC18F4550，配合Xilinx公司XC9572型号的CPLD，进行方向/脉冲、CW/CCW(clockwise/counterclockwise)两种输入方式的检测，配合拨码开关选择相应的控制方式，控制四个步进电机的运行。PIC单片机是Microchip公司的产品，它是一种精简指令型的单片机，指令数量比较少，运行速度快(指令周期约160200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，运算速度高。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。电路设计采用的是Altium Designer 电路设计软件，分别进行原理图及PCB的设计。Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计15。该四轴步进电机驱动电路设计原理图如图3.1所示。图3.1 四轴步进电机驱动原理图3.1.1 PIC单片机控制电路PIC单片机控制电路主要包括电源、下载接口电路、及单片机控制接口电路。电源模块设计如图3.2所示。采用LM7805稳压芯片，将P1接口输入的电压稳压至5V，供单片机工作。图3.2 单片机电源模块PIC单片机的下载接口如图3.3所示，采用ISP接口，便于通过专用的PICKIT3接口下载程序，并且进行调试。图3.3 ISP下载接口电路PIC单片机控制电路如图3.4所示。四个步进电机分别用X，Y，Z，A表示，D表示方向（Direction），S表示脉冲步数(Step)。单片机输出方向和脉冲信号，给CPLD进行下一步处理。其中X_LIM_MAX，X_LIM_MIN等信号管脚是限位开关用，而X+，X-等信号管脚是为了日后的按键扩展用。图3.4 单片机控制电路3.1.2 CPLD控制电路本控制板卡选用的CPLD是Xilinx公司的XC9572-10PCG44C，CPLD的主要作用是配合拨码开关，实现方向/脉冲、CW/CCW两种控制信号的鉴别，并且根据拨码开关的选择，输出相应的控制信号，控制底层的步进电机运行。电路设计如图3.5所示。 图3.5 CPLD控制电路原理图图中X_D，X_S，Y_D，Y_S，Z_D，Z_S，A_D，A_S 表示方向/脉冲输入方式，而MX_CW，MX_CCW，MY_CW，MY_CCW，MZ_CW，MZ_CCW，MA_CW，MA_CCW表示手轮CW/CCW输入方式。根据拨码开关的单脉冲/双脉冲（1P/2P），以及电动/手脉的选择，输出CW/CCW信号，控制步进电机的运行。3.2振镜扫描及相机触发驱动控制振镜扫描及相机触发驱动控制是整个控制系统设计的核心，也是设计难点所在。整个控制系统包括电源模块、串口通信模块、AD转换模块和DA转换模块。采用Cadence电路设计软件，进行原理图及PCB设计。Cadence是一个大型的EDA软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC设计、FPGA设计和PCB板设计。Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势16。下面进行分模块介绍。3.2.1 电源模块由于该控制电路同时需要模拟电源和数字电源，并且扫描振镜对电源的精度和纹波有很高的要求，所以电源模块的设计就显得很重要。如图3.6所示，通过LM317和LM337产生模拟电源2.5V，供AD转换使用；通过LM1083产生数字电源3.3V，通过LT1963产生数字电源2.5V，通过NCP565A产生数字电源1.2V。在PCB设计时，需要特别考虑模拟和数字部分的区分。 图3.6 电源模块设计原理图3.2.2 串口通信模块所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据在数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串并）和“发送移位寄存器”（并串）。这将在串口接收模块的控制程序中有所体现，详见附录A。如图3.7所示，由于单片机输出的TTL电平与PC机的RS232串口电平的电气特性不匹配 ，为了使单片机能与PC机能够通信，采用MAX3232芯片进行电平转换，UART_TX，UART_RX与FPGA相连，而RS232_OUT1、RS232_IN1与外部串口线相连。图3.7 串口通信模块原理图3.2.3 DA转换模块由于扫描振镜是由模拟电压信号驱动的，而上位机指令是数字信号，所以我们需要DA转换模块，将上位机数字指令转换为模拟电压信号，从而控制扫描振镜的偏转。DA转换模块的工作原理是：串口配置的指令，发送给FPGA并转换为16位数字信号，通过DAC7741的DA转换，转换为模拟信号，并通过OPA227的放大，输出模拟电压信号，从而控制扫描振镜的偏转。如图3.8所示，1DB151DB0为16位数字信号，通过DA转换之后，通过Vout端口输出模拟电压信号。由于系统中有两个扫描振镜，所以需要两个DA转换模块，分别控制两个振镜。图3.8 DA转换模块原理图3.2.4 AD转换模块上文中提到，扫描振镜的驱动电压是模拟信号。如果我们需要确定扫描振镜此时的位置来触发线阵相机的曝光，那么我们需要将振镜的驱动电压信号转换为数字信号，才能被上位机识别。AD转换模块的工作原理是：振镜偏转到某一角度时，会产生一个模拟的电压信号，将这个模拟信号通过AIN管脚输入给AD模块中的ADS1258，在FPGA的控制下，将这个模拟信号转换为24位数字信号，通过DOUT管脚串行输出。如图3.9所示，由于ADS1258具有16通道模拟输入，所以我们只需要一个AD模块，并且只需要两个通道就足够了。图3.9 AD转换模块原理图3.2.5 FPGA控制模块现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求。与传统数字电路系统相比，FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，降低了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率17。FPGA控制模块是整个控制系统的核心部分，此控制系统中采用的FPGA是Xilinx公司的Spartan 3E XC3S500E，具有158个用户I/0管脚，50MHz晶振输入，配置Flash采用的是XCF04S。此芯片性能优良，完全符合我们对于性能的要求。整个FPGA控制模块的原理示意图如图3.10所示。图3.10 FPGA控制模块原理示意图由上图所示，FPGA首先是接收上位机串口指令，然后配合DA转换芯片工作，使振镜根据指令模式进行相应的偏转。然后，配合AD转换芯片，读取振镜此时所在的位置，并在合适的时机，输出相机曝光信号，触发相机曝光，得到此时的干涉条纹图像。4 高速振镜扫描控制系统的控制程序设计基于CPLD、FPGA的控制程序是通过Xilinx ISE10.1开发环境进行编写的，而论文中的仿真结果是通过ModelSim10.1a 软件进行仿真的。我们使用的编程语言是Verilog HDL语言，Verilog HDL是目前较流行的一种硬件描述语言， 在 FPGA 设计中有着广泛的应用。目前进行大型 FPGA 工程设计时， 最常用的设计方法是 HDL（hardware description language）设计输入方法。HDL设计输入法的特点是有利于自顶而下设计， 利于模块的划分与复用， 而且在设计的过程中可以利用其自身具有的强大的行为描述能力， 避开具体的器件结构， 从逻辑行为上对所需的模块进行描述和设计， 从而使设计与芯片的工艺与结构无关， 可移植性好， 通用性好18。4.1 四轴步进电机驱动控制此控制系统采用四个步进电机，分别控制平移台X，Y平面移动，Z轴焦距的调整，以及扫描镜头旋转角度的调整。步进电机驱动有两种比较常用的方式：CW/CCW驱动方式、方向/脉冲驱动方式。下面简要对两种方式进行比较：（1） CW/CCW是双脉冲工作方式。两根线都输出脉冲信号，CW为正转脉冲信号，CCW为反转脉冲信号，通常都是差分方式输出，两信号相位差90度。根据相位超前或滞后来决定旋转方向，根据脉冲数决定电机转动角度。（2） 方向/脉冲信号是单脉冲的，脉冲信号发出脉冲决定电机转动角度，方向信号就是电平信号。比如，想正转加高电平，想反转加低电平。在电机朝一个方向转动时。此信号保持原有电平不需要改变。对于步进电机控制而言，这两种都是可以的，方向/脉冲控制方式简单些，并且所有的驱动器都支持方向/脉冲信号，但低端的驱动器不一定都支持CW/CCW信号。但是，由于CW/CCW是差分信号，在抗干扰能力和传输距离上有很大的优势。在该课题中，我们采用了CW/CCW信号和方向/脉冲信号两种控制方式，方便日后产品化设计。通过PIC单片机与CPLD配合，控制步进电机的转动。通过拨码开关选择控制方式，利用CPLD对输入信号进行分析，输出控制信号，对步进电机进行控制。仿真过程中，我们只选取一个步进电机进行仿真，仿真结果如图4.1所示。图4.1 CPLD控制程序仿真结果4.2 扫描振镜的转动控制该控制模块是整个控制系统的核心部分。在具体实现过程中，采用FPGA全并行控制扫描振镜的转动，以及线阵相机的同步触发扫描。扫描振镜控制方面，FPGA根据串口UART指令，输出控制信号，经过DA转换，转换为模拟信号，控制二维振镜的偏转运动，然后，通过AD转换，将振镜的位置反馈给FPGA，从而精确控制振镜的扫描位置。同时，将这个反馈的位置与预先设定的位置相比较，从而控制线阵相机的曝光时间。首先需要通过串口通过上位机配置振镜扫描位置，具体来说包括xm