基于計算機并口的電磁式微電機驅動系統設計

李勝勇，肖奇軍

(1.廈門蒙發利科技(集團)股份有限公司，廈門361008;2.肇慶學院，肇慶526061)

0 引 言

本文主要以MEMS 強鏈應用為具體實例，設計了一個基于計算機并口的電磁式微電機驅動系統。這種強鏈是一種能量門控或開關機構，可廣泛用于國防裝備、武器引信、要害部門等國防領域，也可用于信息安全領域，如政府機關、信息數據庫、金融等場合。

基于非硅MEMS 技術制造的獨特結構的電磁式微電機，采用雙定子單轉子結構，具有轉矩大、電壓低、轉速高等優點。這種微電機應用于強鏈驅動系統中，具有獨特的效果。在實際驅動過程中，施加不同的矢量電流，改變定子繞組驅動轉矩，從而改變步進的角度，這樣可以避免需要不同結構電機來產生不同轉矩。微電機這樣的電氣結構，使得變速的輸出成為可能，減少了傳動機構，提高了系統穩定性和裝配性。微電機的輸出轉矩最大可達2.8 N·m，也無需通過減速提高轉矩，摩擦問題就可以大大減少。本文設計中采用的電磁式微電機就是雙定子單轉子的獨特結構［1］。

1 MEMS 強鏈結構

MEMS 強鏈的結構如圖1 所示。結構由三部分組成，包括兩組鑒碼機構、兩組復位機構和一個耦合機構［2］。其中，一組鑒碼碼盤、驅動微電機依次從上至下安裝在棘輪套裝軸上，外面結構體對其進行定位，形成其中一組鑒碼機構;棘爪、復位微電機按順序套裝在棘爪安裝軸上，形成一組復位機構;另外一組鑒碼、復位機構與此類似。信息耦合采用光電耦合盤，隨動式，可復位的MEMS 強鏈結構如圖1所示［3］。結構尺寸為35 mm×25 mm×25 mm 計算機并口的輸出信號分別傳遞給兩個驅動電機和兩個復位電機的驅動器，然后分別再與相應的微電機相連，執行鑒碼機構的運行與復位，最終完成系統的能量門開啟與否以及復位過程［4-5］。

圖1 MEMS 強鏈結構與系統

圖2 為系統運行復位流程。這里以輸入碼第八位錯誤(即應為“A”，而實際為“B”)說明復位過程。假如輸入的密碼為“BABBABBBAAA…”，假設前七位碼是正確的，第八位碼“B”是錯的。由于第八位錯誤，應該驅動碼輪A。這樣一來，由于錯誤驅動，碼輪B 必將與碼輪A 干涉，強鏈無法運行。這種狀態下，復位電機B 驅動棘爪使其轉動22.5°，將棘爪離開棘輪卡位，密碼驅動電機B 反方向運轉7.5° ×2 =15°。復位電機B 實現整個復位過程，圖3 為復位過程。

2 微電機換相規則

驅動電磁式微電機為三相星形繞組結構，如圖4(a)所示，圖4(b)所示為其力矩矢量圖，其它B，-B，C，-C 的定義與A 相定義相同。

圖4 微電機繞組相位連接和矢量力矩

在每一個運行瞬間，微電機由于無中線引出，對其進行組合，共計有12 種通電狀態，于是形成12 個矢量力矩，如圖5 所示。

圖5 12 種狀態對應的矢量力矩

系統中的MEMS 強鏈電機采用十二拍換相實現22.5°機械步進驅動。在圖6 所示的矢量力矩圖中，總計有一種這樣的二、三通電十二拍換相模式，軸向磁場微電機22.5°機械步進驅動由每4 個換相狀態完成。

圖6 十二拍模式

3 控制電路設計

PCI-7248 與L6234 芯片的連線方式，如圖7所示。利用L6234 芯片實現電路中微電機的驅動，它是一個由可以輸入使能的三個半橋組成的驅動芯片，能夠實現防止交叉導通、熱關斷、50 kHz 工作頻率、能輸出5 A 大電流等功能。

通過設定芯片L6234 的IN1，EN1，IN2，EN2，IN3，EN3 的邏輯值來開關T1 至T6，共計6 個MOS管。當相應的EN1，EN2，EN3 為低電平時，切斷相應通道，當EN1，EN2，EN3 為高電平時，打開相應通道。當IN1，IN2，IN3 為高時，上DMOS 晶體管打開，當IN1，IN2，IN3 為低時，下DMOS 晶體管打開，電流方向改變。OUT1，OUT2，OUT3 分別為電機輸入相位的A 相，B 相和C 相。只需改變以上6 個輸入值，即可實現微電機的電流換相，從而使其實現步進運動的改變［6］。

4 并口編程實現系統的控制

通過編程，使用PC 機并口來實現對四個電機的控制。計算機提供了三個寄存器，即數據寄存器，狀態寄存器和控制寄存器。并口的輸入/輸出分別對應端口378H，379H 和37AH。使用數據寄存器的D0 -D5 作為數據總線。利用并口的Pin2 ～Pin7 進行輸出。D6，D7 分別接到兩片74HC573 的OE 端，選通兩個工作電機，利用并口的Pin8，Pin9 實現輸出。控制寄存器的D1，D3 分別控制復位電機A，B的使能，利用并口的Pin14，Pin17 實現輸出。當復位工作時，要求有兩臺電機同時工作，因此復位電機接口需要具有鎖存功能，因為兩臺復位電機不會同時工作，所以可以共用一個鎖存線。采用控制寄存器的D2 作為鎖存(LE)信號，采用并口的Pin16 輸出相應信號。并口輸出的命令采用C 語言的outportb()函數或匯編的out 命令向378 及37 A 端口寫命令字來實現。

微電機按照如圖8 所示的相位循環運轉，其中，加下劃線的是狀態穩定相位，稱之為大相位，它們之間間隔22.5°。中間的兩個是過渡態相位，稱之為小相位，它們之間間隔7.5°。由此可見，一個大相位由三個小相位組成。電機運行4 個大相位為一個循環，經過4 個循環后回到原始位置。L6234 輸入一定的控制字，輸出端輸出與其相對的相位。

圖8 微電機循環相位

正常鑒碼時，碼輪集運行24 位密碼，打開光電耦合器，能量耦合，達到開啟計算機的功能，然后再輸出8 個相位使MEMS 強鏈恢復到初始位置。

下面以一個鑒碼過程說明復位時MEMS 強鏈的電氣特性。例如，輸入的解碼為“AABBABABAAABBB…”，假設第六位密碼正確，第七位密碼“A”錯誤。如果MEMS 強鏈的初始相位是-BC，輸出第七位密碼(這時輸出“A”，正確碼應該是“B”)時，電機A 處在-BC 相位，電機B 處在A-B-C。這時需要電機 A 恢復到上一個相位(- ABC)才能繼續解碼。此時控制電路依次輸出相位A -BC，A-B，A-B-C 到復位電機A，驅動棘爪抬起。復位電機A 的狀態被鎖存在A-B-C 這一相位，使棘爪保持在抬起狀態。然后電機A 依次輸出當前相位前的兩個小相位(-A-BC，-AC)，這時復位電機A 驅動棘爪放下，即控制電路輸出A-B，A-BC，-BC 相位到復位電機A。最后電機A 再反方向走一個小相位(-AB -C)，這樣碼輪就退回到了一個正確的位置，復位過程完成。

5 MEMS 強鏈的安全認證實例

以開啟計算機操作系統為例，測試MEMS 強鏈能否正確解碼，對MEMS 強鏈在輸入誤碼下能否進行復位進行了多次測試實驗。測試系統包括MESM強鏈、控制板、上位機，如圖9 所示。

圖9 計算機安全認證測試系統

正確解碼測試如下:在計算機POST 過程中輸入正確的密碼，等待MEMS 強鏈工作完畢后，若操作系統開啟，則本次試驗完畢，并記錄試驗結果。如此反復，每次試驗都成功解碼。錯誤密碼測試如下:該試驗測試兩種錯位碼的運行狀況，一種是錯位在“A”，碼為“ABAABABBBBAAA”;另一種是錯位在“B”，碼為“ABAABABBBBB”。在計算機POST 過程中輸入錯誤的密碼啟動鑒碼，計算機提示MEMS強鏈走到錯誤位置，請按任意鍵復位，按鍵使得自動復位到初始相位，但計算機鎖死，則本次試驗完畢，并記錄試驗結果。如此反復，每次MEMS 強鏈都能完成自動復位過程。

6 結 語

基于MEMS 強鏈的計算機安全認證系統采用電磁式微電機作為驅動電機，通過計算機并口實現對MEMS 強鏈兩個復位微電機和兩個驅動微電機的控制，經過反復測試，系統穩定正常，沒有發生異常情況，MEMS 強鏈計算機認證可有效杜絕非法入侵。

［1］ 張琛.微執行器［M］. 上海:上海交通大學出版社，2005:58 -68.

［2］ 張衛平. 基于MEMS 技術的微小機電強鏈［D］.上海:上海交通大學，2004:28 -38.

［3］ 陳文元，李勝勇，張衛平，等.具有自動復位系統的逐位鑒別可多次試開的MEMS 強鏈:中國，200610023449.5［P］.2006 -08 -30.

［4］ LI Sheng -yong，CHEN Wen -yuan，ZHANG Wei -ping，et al.Multi-try counter-meshing gears discrimination device based on MEMS technology［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University(Sci.)，2008，13(3):280 -284.

［5］ LI Shengyong，CHEN Wenyuan，ZHANG Weiping，et al. Structure mechanism of MEMS security stronglink with multi - try function［C］//International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering，Proc. of SPIE，2007:64235A-1 -64235A-7.

［6］ 齊臣杰，劉理天，譚智敏. 微電機和微動力MEMS［J］. 電子科技導報，1999，(12):21 -23.