基于NI-LabVIEW环境的VCM特性参数测控系统

袁 云，马建设，董朝喜，刘向明

（1.武汉工程大学 湖北 武汉 430073，2.清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055）

音圈电机（Voice Coil Motor，VCM）属于特种直线电机，其结构简单、体积小、响应快、精度高、可靠性高等特点，使其广泛应用于硬盘驱动器、光盘驱动器、透镜聚焦和航天仪器等精密定位系统[1]。VCM的启动电流、最大行程和灵敏度作为其重要性能指标，对实际应用起着决定性作用。对其指标检测的关键技术是微位移测量。

由于对VCM测量精度和测量速度要求的提高，文中根据激光三角原理，采用德国米依公司的ILDl401-5激光位移传感器获取VCM位移信号。STC12C5A60S2单片机作为控制和数据预处理单元，实现VCM的恒流驱动控制以及数据的预处理。对数据后续处理及其结果显示采用NI-LabVIEW虚拟平台，开发设计VCM关键参数测试系统。

1 测试系统硬件实现

VCM特性测试系统硬件框图如图1所示，由VCM、激光位移传感器、单片机控制系统、计算机系统4部分组成。

图1 VCM测控系统硬件框图Fig.1 Block diagram of control system hardware

系统采用上、下位机通信方案完成人机交互与控制算法、数据处理以及图形输出显示。系统开始工作时由操作者按下开始键后上位机发送一个开始信号给下位机，下位机接收到该信号后输出0~100 mA电流给VCM，每给一次电流，单片机采集传感器串口传输的位移数据信号，经过滤波算法后将电流值与相应的位移值打包并通过串口发送到上位机，上位机接收到数据后将数据解包、处理、显示。

1.1 位移传感器

选用德国MICRO—EPSILON公司的ILDl401-5型高精度三角反射式激光位移传感器来测量微位移。该传感器采用激光三角原理，激光发射器发出激光投射到被测表面上，传感器利用反射回来的激光在位置传感元件上成像，内部集成的控制器通过位移传感器上所成像的位置依据激光三角原理计算出相应的位移值，并把该位移值以模拟信号（电流）和数字信号（RS232）以38 400波特率从相应引脚输出。其主要的特性有：测量范围：5 mm（22.5±2.5）；静态分辨率为:0.6 μm；动态分辨率为（1 kHz）：3 μm；采样率为：1 kHz；发射的激光波长为670 nm；11~30 V直流供电；输出为4~20 mA模拟电流和RS232数字信号，内部集成处理器采集、处理以及发送数据。

1.2 单片机控制系统

单片机控制系统主要包括VCM恒流驱动设计，最小单片机系统设计，串口通信电路设计，电源电路设计四大部分。

1.2.1 VCM驱动设计

VCM驱动[4]选用AD公司的AD5821VCM专用驱动芯片，AD5821是十位数模转换器，最高吸入电流可达120 mA，供电电压为2.7~5.5 V，DAC是通过I2C协议两线控制，最高转换速率可达400 kHz。AD5821主要应用于手机拍摄相机、数码相机和便携式摄像机中的自动对焦、图像稳定及光学变焦等[5]。该芯片有九个引脚，VDD为电源引脚接3.3 V电源，SDA，SCL分别为I2C通信的数据引脚和时钟引脚，设计时必须接个上拉电阻将此两个引脚上拉到1.8 V；Isink为D/A转换的电流输出引脚；XSHUTDOWN为系统掉电信号，低电平有效，一旦此信号为低则系统进入休眠状态，要回到工作状态需给该引脚一个高电平；AGND和DGND分别为模拟地和数字地，在电路板布线时尽量在接近芯片的地方把模拟地和数字地单点连接[6]。

1.2.2 单片机最小系统设计

单片机选用STC12C5A60S2，该系列单片机是STC生产的单周期/机器周期（1T）的单片机，代码完全兼容 8051，但速度快8-12倍。它拥有两个全双工串行通信接口，可通过串口实现传感器和单片机，单片机和计算机的通信。单片机最小系统包括晶振电路，单片机，复位电路，供电4部分。其重点是晶振的选择，因为传感器发送数字信号的波特率为38 400，为了使串口传输误差为零，减少数据传送过程中出错，选用14.7456 MHz晶振，实现串口的零误差数据传输。

1.2.3 串口通信电路设计

通讯模块包括：单片机和上位机的通信，单片机和传感器的通信，两者都是通过串口通信。其电平转换芯片采用MAX2323芯片。该芯片是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个发送器、2个接收器，可以实现两组信号的相互通信。

1.2.4 电源电路的设计

整个电路板供电包括，单片机供电3.3 V，AD5821 3.3 V供电和I2C数据线和时钟线上1.8 V的上拉电压，传感器24 V供电。系统供电选用开关电源AC220V输入，DC5V和24 V输出，3.3 V供电由LT1529-3.3和 AMS117-3.3稳压得到。1.8 V电压由AMS117-1.8芯片将3.3 V电压稳压成1.8 V。

单片机最小系统及VCM驱动设计如图2所示。

2 测试系统的软件实现

测试系统软件包括上位机软件和下位机软件两大部分，下位机软件主要实现VCM的驱动、数据的采集、数据初步处理打包以及将数据传送到上位机；上位机软件主要实现数据的后处理、特性曲线的绘制、特性参数的计算以及数据的存储。软件总的构成如图3所示。

2.1 下位机软件

下位机软件主要包括VCM控制模块、数据采集以及通讯模块、数据初步处理模块。

2.1.1 VCM控制模块

VCM的恒流控制是通过AD5821芯片实现，其实质就是一个10位数模转换芯片，数字量0-1023对应的输出电流为0~120 mA。将数字量转换为相对应模拟电流输出来控制VCM。数字量写入AD5821是通过标准的I2C接口协议。由写数据时序图可以知道，单片机写数据到AD5821步骤如下：单片机首先发起始信号，再写入七位器件地址和一位读写控制位，AD5821给一个应答信号，写入给定电流的高八位，AD5821给一个应答信号，写入给定电流的低八位，AD5821给一个应答信号，最后由单片机给一个终止信号。

2.1.2 数据采集及通讯模块

数据采集就是在给定VCM电流后，利用串口从传感器中读取相应电流的位移值。传感器以波特率38 400发送实时位移数据，单片机通过串口以38 400波特率接收。通讯就是下位机将处理后的位移值和电流值以约定格式的数据包传递给上位机。格式为HXXXXXXXT，每个数据包以H开头，紧接着七个数据位（三位电流位和四位位移位），以T结束。方便上位机判断接收的数据包是否是正常。

2.1.3 数据初步处理模块

数据初步处理模块包括将从传感器中读到的高八位和低八位合并成十六位数据，并将数据转化成对应的位移值，并经过一定的数字滤波算法（中值均值滤波），最后将电流和位移按照数据通信模块中的格式打包。传感器发出的数字信号由高八位和低八位两个字节组成，其中高字节最高位为1，紧接着是数据的高七位；低八位的最高位是0，紧接着是数据的低七位。判断接收到高低八位之后，去掉高低字节的标志位并将数据合并成十四位数据。再将所得数据按中值均值滤波算法处理。即连续采集十次位移数据后按从大到小将数据排列，去掉最大值和最小值，求取中间八个数据的平均值作为有效值。这样可以抗尖峰干扰，得到相对稳定的数据，使曲线平滑。再将所得到的数据和给定的电流值打包成规定的数据格式通过串口传递给上位机。

图2 最小系统及VCM驱动原理图Fig.2 The minimum system and VCM driver schematic diagram

图3 系统软件框架Fig.3 System software framework

2.2 上位机软件

上位机软件采用LabVIEW图形化的程序语言作为软件开发平台进行系统的应用设计，尤其使用其进行原理研究、设计实现测试仪器系统时，可大大提高开发效率。

2.2.1 数据通信模块

串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道，通过RS232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，是目前虚拟仪器的重要构成方式之一，主要用于速度较低的测试系统，具有接口简单、使用方便的特点[3]。LabVIEW提供了强大的串行通信VISA库，其主要的VI函数介绍如下：VISA配置串口：初始化VISA resource name指定的串口通信参数（波特率，数据位，奇偶位，起始位，停止位等）；VISA写入：将缓冲区中的数据发送到指定的串口；VISA读取：将VISA指定的串口接收缓冲区中的数据读取指定字节数的数据到计算机内存中；VISA Bytes at Serial Port:查询指定串口接收缓冲区中的数据字节数；VISA关闭：结束指定串口资源之间的会话。设置好各项通信参数后，将这些VI彼此按设计流程连接就可以实现上位机和下位机之间的通信。

2.2.2 数据处理及显示模块

该模块包括从串口读取数据的判断解析，数据的处理（各特性参数的计算），图形显示。数据判断保证从串口传过来的数据是下位机传送的正常数据，因为下位机发送数据的格式是HXXXXXXXT，上位机接到数据后首先利用字符串截取VI提取最高位和最低位并判断是否是H和T，如果是就认为下位机发送的数据正常，否则认为数据接收异常放弃此次数据。数据解析：将打包的数据利用字符串截取函数提取数据位的前三位（驱动VCM的电流）送入电流数组，同时截取数据位的后四位 （电流值对应的位移值）送入位移数组完成数据的解析。数据处理主要是根据电流值和位移值求出VCM的灵敏度、启动电流和最大行程。灵敏度的求解，将中间线性比较好的数据段进行线性插值（利用线性插值子VI）所得直线的斜率即为该VCM的灵敏度，直线与电流轴的焦点即为启动电流。最大行程利用求位移数组的最大值来求取（求数组最大值VI）。

2.2.3 数据存储模块

数据存储模块要求上位机把每次测试的结果做成报表的形式存储。LabVIEW Report Generation工具包通过ActiveX技术将Microsoft Excel与LabVIEW集成开发环境结合起来，用于快速生成专业的报告，从而有效的表示出各种测试数据和结果。用户可以移植、修改现有的报告模板，并使用标准的LabVIEW功能，扩展该工具包的报告生成功能。使用该VI时，首先必须在Excel中做好模版文件（.xlt文件），将该VI放入程序框图时将出现配置对话框，将生成的模板文件导入，再设置其参数。将要保存的数据按名称连线到相应的端子，各数据就会保存到模板定义的Excel单元格里面。

3 实验结果

将电源连接到控制板，利用串口线将传感器和控制板连接，控制板和计算机连接，实验硬件装置如图4所示。

图4 实验硬件装置Fig.4 The experimental hardware device

实验所用VCM为实验室自制VCM，由控制器控制AD5821芯片依次输出0-100mA（每次增加1mA）电流驱动VCM，由传感器采集各个电流值对应的位移值，由下位机发送数据到上位机经过数据处理后在LabVIEW前面板中绘制的VCM位移-电流曲线如图5所示。随着电流的增加VCM按照相应规律运动，因为要克服本身的重力以及其他预压力作用，VCM需要达到一定的电流（启动电流）才开始运动，由测试曲线可知，启动电流在20 mA左右，随后VCM以6 μm/mA（灵敏度）的步距运动，当电流达到85 mA左右行程达到最大值 （最大行程）。由于马达性能的不同以上参数会有不同，其应用领域也有所不同。

图5 实际测得的VCM特性曲线Fig.5 The actual curves of VCM

测试系统软件给出的特性参数值以及和参考值之间的对比如表1所示。

对比实测结果和给定的参考值可知灵敏度误差比较小，与给定参考值一致。而启动电流和最大行程与参考值有偏差，分析其原因如下：给出的参考值是在有反射片的情况下测量的结果，而本测试系统无需反射片，这也是本系统的一大创新点，入射激光直接投射到VCM的上弹片上，由与缺少反射片重力预压力的作用导致启动电流偏小，最大行程稍微偏大的结果。

表1 实际值与参考值对比Tab.1 The actual value and the reference value of the comparison between

4 结束语

和市场上现有的VCM特性参数测试系统相比，本系统成本低，检测时无需反射片（反射片要求光学平面，反射率大于80%），以及对被测表面质量没有同类产品严格。

文中基于LabVIEW软件平台，微位移传感器，以及单片机构建VCM特性参数测试系统，并对VCM特性参数进行测试，实验结果表明：该系统稳定可靠、测试精度较高、测试简单、结果直观明了。

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