一种基于FPGA的MEMS振镜驱动信号的相位同步方法与流程

一种基于fpga的mems振镜驱动信号的相位同步方法
技术领域：
1.本发明涉及微振镜控制领域，具体涉及一种基于fpga的mems振镜驱动信号的相位同步方法。


背景技术：

2.mems(micro-electro-mechanical system,微机电机械系统)产业的发展对信息、医疗、空间技术等领域产生的重大影响，在此背景下，诸多mems产品应运而生，其中mems振镜是基于mems技术制作的可驱动微镜，镜面直径通常只有几毫米。与传统的光学扫描镜相比，具有重量轻、体积小、易于大批量生产、生产成本较低的优点。在光学、机械性能和功耗方面表现更为突出，在高清投影、激光雷达、三维扫描等领域有广泛应用前景。
3.按照驱动原理，mems振镜可分为静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热电驱动几种类型，目前常见的有静电驱动和电磁驱动两种。静电驱动是利用带电导体之间产生的静电吸引力，该力作用到镜面上，在力矩的作用下，进行扭转运动；电磁驱动是利用洛伦兹力驱使镜面发生扭转，在其结构上，电磁驱动式的mems振镜加上磁性材料，通过电流与磁性材料产生的磁场相互作用，产生电磁力使得镜面发生扭转运动。不管以何种方式驱动，都需要外界产生一定的驱动信号，以获得振动所需的扭转力。从工作模式来看，mems振镜可分为谐振态和非谐振态两类。非谐振态工作方式的工作频率可以自由调整，可以从零开始到微镜结构固有谐振频率范围以内实时调节；谐振态工作方式要求mems振镜需要工作在谐振频点下，扫描频率偏离谐振频点扫描角度会大幅降低，甚至不能正常工作。
4.对于二维mems振镜，在相互垂直的两个方向均可振动扫描，即x轴(快轴)方向和y轴(慢轴)方向。在两轴均采用谐振态工作模式的情况下，mems振镜的快轴和慢轴都工作在各自的频率范围内。两轴同时振动时，振动的轨迹呈李萨如图形，轨迹的形状取决于两轴振动的频率比、振幅比和初相位差。此三种因素由驱使微镜振动的驱动信号所决定，其中，频率和振幅都可直观的进行调节，两轴的驱动信号设定初相位差时，需要进行相位同步，通常是分别预先设定两轴驱动信号的初相位，再选择一个时刻将两个信号的相位同时重置到初相位，以获得特定的初相位差。因选择相位同步的时刻具有随机性，可能导致驱动信号发生跳变，从而影响振镜的正常工作状态，甚至损坏振镜结构。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于fpga的mems振镜驱动信号的相位同步方法，在设定两轴驱动信号的初相位差时，利用fpga的高速处理特性，在mems振镜的快轴驱动信号和慢轴驱动信号两者都即将到达初相位时，两轴驱动信号同时回到初相位，使mems振镜的两轴驱动信号在相位相对连续的情况下进行同步，获得特定的初相位差。
6.为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于fpga的mems振镜驱动信号的同步方法，其特征在于包括以下步骤：
8.a.采用fpga实现dds信号发生器产生驱动信号，将周期的信号波形存储到fpga的
rom中，rom的深度即为一个周期的采样点数，rom地址与psw存在线性映射关系，通过控制psw能够循环读出rom中的信号；
9.b.通过相位累加器实现对psw的控制，即在每个时钟上升沿，psw值增加一个频率控制字fsw(frequency setting word),当psw值大于pswmax时，psw值回到psw-pswmax，如此循环，将psw值映射到rom地址，即可读出所需频率的信号，根据dds原理可以得出输出信号的频率f
out
为
[0010][0011]
其中f
clk
为dds的工作时钟频率，fsw为频率控制字，psw
max
是最大相位控制字；
[0012]
控制mems振镜的两轴振动需要上述fpga中两个rom产生驱动信号，两个rom由相互独立的相位累加器控制。
[0013]
c.对mems振镜的两轴驱动信号进行相位同步来获得特定的初相位差，由两轴驱动信号的初相位差得出两轴驱动信号的初相位，根据映射关系得出两轴驱动信号的初相位控制字，快轴驱动信号的初相位控制字由psw1表示，慢轴驱动信号的初相位控制字由psw2表示；
[0014]
d.设定相位同步的窗口期为psw
max
/2n，n＝0,1,2,3
…
；
[0015]
e.在快轴驱动信号的psw值处于psw1-psw
max
/2n至psw1时，快轴同步使能信号sync_ready_out1拉高；同理，在慢轴驱动信号的psw值处于psw2-pswmax/2n至psw2时，慢轴同步使能信号sync_ready_out2拉高；
[0016]
f.获得两轴同步使能信号的重合部分，
[0017]
sync_ready＝sync_ready_out1&sync_ready_out2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]
其中sync_ready是相位同步使能信号，sync_ready高电平有效，表示可以进行相位同步操作，在sync_ready信号的上升沿，将快轴的psw值置为psw1，将慢轴的psw值置为psw2，至此，快轴和慢轴的驱动信号相位在同一时刻回到初相位，完成了相位同步操作。
[0019]
上述技术方案中：
[0020]
所述驱动信号是用于驱使mems振镜振动的电压信号或电流信号，包括驱使mems振镜快轴振动的快轴驱动信号，和驱使mems振镜慢轴振动的慢轴驱动信号，两轴驱动信号均为周期信号，其相位在0到360度之间周期循环。
[0021]
所述相位同步是指使mems振镜的快轴驱动信号和慢轴驱动信号在同一时刻回到初相位，目的是获得特定的初相位差，初相位可以设置为0到360度之间的任一值。
[0022]
本发明中，信号在任意时刻的相位可由psw(phase setting word,相位控制字)表示，相位与相位控制字具有线性映射关系，相位为360度时对应相位控制字的最大值psw
max
。驱动信号相位同步的窗口期为psw
max
/2n(n＝0,1,2,3
…
)，当n值越大时，相位同步时的相位值越接近初相位。
[0023]
设定快轴驱动信号的初相位为psw1，设定慢轴驱动信号的初相位为psw2，为了保证信号的连续性，应在相位即将到达初相位时进行相位同步，且同步时的相位值应尽可能的接近初相位。当快轴驱动信号的相位值处于psw1-psw
max
/2n和psw1之间时，快轴进入同步准备状态。同理，当慢轴驱动信号的相位值处于psw2-psw
max
/2n和psw2之间时，慢轴进入同步准备状态。两轴同时处于同步准备状态时，进行相位同步操作。
[0024]
当n等于0时，驱动信号相位同步的窗口期是整个信号周期的任一时期，等同于直接进行相位同步操作。当n值越大时，相位同步时的相位值越接近初相位，对信号连续性的影响越小，但完成相位同步操作所等待的时间越长。
[0025]
本发明的优点在于：本发明可以显著改善直接相位同步带来的驱动信号形状突变，保证驱动信号在相位同步时相位的连续性，减小相位同步时对mems振镜造成的不良影响。
附图说明：
[0026]
图1为本发明一实施例相位累加器示意图；
[0027]
图2为本发明一实施例相位同步方法流程图；
[0028]
图3为本发明一实施例相位控制字与同步使能信号时序图；
具体实施方式：
[0029]
下面对本发明的实施例作详细说明。
[0030]
本发明的内容是一种基于fpga的mems振镜驱动信号的同步方法，本实施例中，驱动信号的产生方式是采用fpga实现dds(direct digital synthesis,直接频率合成)信号发生器。首先，将周期的信号波形存储到fpga的rom中，rom的深度即为一个周期的采样点数，rom地址与psw存在线性映射关系，通过控制psw能够循环读出rom中的信号。
[0031]
如图1所示，通过相位累加器实现对psw的控制，即在每个时钟上升沿，psw值增加一个fsw(frequency setting word,频率控制字)，当psw值大于psw
max
时，psw值回到psw-psw
max
，如此循环。将psw值映射到rom地址，即可读出所需频率的信号，根据dds原理可以得出输出信号的频率f
out
为
[0032][0033]
其中f
clk
为dds的工作时钟频率，fsw为频率控制字，psw
max
是最大相位控制字。
[0034]
控制mems振镜的两轴振动需要上述两个rom产生驱动信号，两个rom由相互独立的相位累加器控制。
[0035]
对mems振镜的两轴驱动信号进行相位同步来获得特定的初相位差，步骤如图2所示。
[0036]
首先，由两轴驱动信号的初相位差得出两轴驱动信号的初相位，根据映射关系得出两轴驱动信号的初相位控制字。快轴驱动信号的初相位控制字由psw1表示，慢轴驱动信号的初相位控制字由psw2表示。
[0037]
进一步的，设定相位同步的窗口期为psw
max
/2n(n＝0,1,2,3
…
)，其中n值越大，窗口期越小，表示相位同步时的相位值越接近初相位，从而对信号连续性的影响就越小。而造成的不良影响是，两轴相位同步的窗口期重合的机会变小，相位同步的等待时间会变长。当同步时间无要求时，起始可设定较大的n值；而对同步时间比较敏感时，可根据信号的相位同步时间和信号的连续性两种因素确定n的初始值。
[0038]
进一步的，在快轴驱动信号的psw值处于psw1-psw
max
/2n至psw1时，即图3中的
△
t1时间段，快轴同步使能信号sync_ready_out1拉高；同理，在慢轴驱动信号的psw值处于
psw2-psw
max
/2n至psw2时，即图3中的
△
t2时间段，慢轴同步使能信号sync_ready_out2拉高。
[0039]
进一步的，获得两轴同步使能信号的重合部分，即图3中
△
t时间段。
[0040]
sync_ready＝sync_ready_out1&sync_ready_out2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0041]
其中sync_ready是相位同步使能信号，sync_ready高电平有效，表示可以进行相位同步操作。在sync_ready信号的上升沿，将快轴的psw值置为psw1，将慢轴的psw值置为psw2。至此，快轴和慢轴的驱动信号相位在同一时刻回到初相位，完成了相位同步操作。
[0042]
附图中的流程图和示意图显示了本发明的实施例的fpga算法流程以及功能体系架构，其中流程图的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分。