1 引言
隨著現代生產加工工藝和加工效率的不斷提高,激光打標機的應用范圍也不斷擴大延伸,從過去較單一的五金件、工藝品等的圖標、序號打標,到現在的高速、精細的通訊、航天等行業的精密器件的加工的不斷變化,用戶對激光打標的精準度、速度的要求也越來越高。為了滿足越來越高的用戶要求,過去傳統的基于單片機、ISA總線等開發的控制系統越來越滿足不了新的要求。為此,本次設計采用了當前最先進成熟的TI(德州儀器)公司的TMS320F2812 DSP[1]作為本系統的核心CPU,此芯片是專門為工業控制應用而設計的高速處理器,最高運算速度可達150MHz/s,再配合功能豐富的外圍功能器件,組成了一個功能強大的、可脫離PC機獨立操作運行的嵌入式系統。
2 激光打標系統的基本工作原理
振鏡式激光打標的基本工作原理如圖1所示,激光通過X、Y振鏡鏡片的反射,經平場透鏡聚焦后在工件表面形成高能量激光點,通過控制XY振鏡的不同位置及激光的開關,實現激光點在工件表面上的移動,從而利用高能量對工件表面進行燒燭形成圖案[8]。
為了能方便精確地控制激光及振鏡,激光打標系統在設計上就分為兩部分來進行,一部分為圖形編輯及參數設置軟件系統,方便用戶對圖形進行可見的、直觀的設計、設置,從而把全數字化的數據傳輸給硬件進行控制。另一部分為硬件控制系統,主要按照圖形數據及相關控制參數,進行精確的實時的控制輸出,實時控制激光、振鏡等相關部件,同時實時地檢測一些相關的外部信號,如停止信號、保護信號、位置信號等。
3 硬件控制電路系統設計
硬件控制系統主要由兩部分組成,一是電路設計部分,另一部分是DSP中的嵌入式控制軟件部分。控制電路主要有USB通訊電路、擴展存儲電路、D／A轉換電路和FPGA電路等組成,結構原理框圖如圖2所示。
3.1 USB通訊接口
USB通訊模塊采用FTDI公司的FT245,USB與DSP的連接采用GPIO操作,采用通用IO進行讀寫訪問。USB實現電路圖如圖3所示。
采用DSP的通用IO口訪問FT245,這里需要注意的是DSP的電平邏輯為3.3V,而FT245R的輸入輸出電平邏輯是+5V,他們之間要加電平轉換邏輯[2]。
3.2 高速D/A轉換電路
高速的數模轉換是激光打標控制器的關鍵,DA輸出的建立時間和精度是影響打標性能的兩個非常重要的參數。本系統中需要二路D／A,分別控制振鏡x軸和振鏡y軸。本文中采用串行高速DA實現模擬量輸出。DA芯片選用DAC7731,16位輸出精度,建立時間小于10us。采用FPGA實現和DA芯片接口的時序邏輯,實現圖路如圖4所示。
DAC7731本身帶有一個10的電壓基準,無需外接電壓參考。另外,該芯片根據配置的不同可以分別輸出+/-10V和+/-5V電壓。配置僅僅是改動幾個電阻而已。另外,復位后DA芯片的電壓輸出也可以設置,本文復位后輸出0V。
3.3 FPGA電路
本系統中CPLD采用Altera公司的CYCLONE系列的EP2C5系列芯片,FPGA的固件用軟件QUATUS設計。FPGA主要用來控制USB芯片的數據傳輸,并由其擴展出中斷按鍵和液晶顯示模塊。邏輯功能圖如圖5所示。
FPGA芯片還要完成激光控制功能,如激光Q脈沖的輸出,激光開關信號,激光開關延時邏輯的實現以及FPS信號的邏輯設計。
FPGA還要完成4軸電機的插補控制。還提供了多達4個通道的脈沖輸出,可以控制步進電機組成的多維運動控制平臺,完成復雜的電機運動控制。
3.4 控制器嵌入軟件開發
DSP中嵌入軟件采用由TI公司提供的集成開發環境CCS來開發完成。控制軟件的主要工作流程如圖6所示。
4 結束語
本系統由于采用基于DSP TMS320F2812為CPU作為設計核心,整體體積小,功能強大,最高運算速度可達150MHZ;由于采用16位的高速D/A,打標速度快、控制精度高;采用USB2.0作為通訊端口,可實現與上位機的即插即用,并提升了數據傳輸的穩定性;采用了大容量的存儲器,可實現打標文件的存儲及數據動態存儲調用。本系統已在實際工業生產中得到了很好的應用,整體性能穩定,抗干擾能力強,得到了用戶的好評。
參考文獻:
[1] Texas Instruments. TMS320C240 F240 DIGITAL SIGNAL PROCESSORS[Z],1996.
[2] 彭啟琮,李玉柏. DSP技術[M]. 西安: 電子科技大學出版社, 1997.
[3] 劉政, 葉漢民. DSP與單片機通信的多種方案設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用. 2006(3):32－－35.
[4] 朱國慶, 付夢印. 基于DSP和單片機的雙CPU數據處理系統[J]. 計算機工程與應用. 2005(21):113—115.
[5] 李于劍. Visual C++實踐與提高—圖形圖像編程篇[M].北京:中國鐵道出版社.2001.
[6] 唐榮錫, 汪嘉業, 彭群生, 汪國昭.計算機圖形學教程[M].北京:科學出版社.2000.
[7] 白瑋. 新型的中小功率激光加工機數控軟件設計[J].自動化與儀表.2001(6):69—71.
[8] 唐玉俊. 基于DSP的激光打標控制器設計[D].合肥工業大學.2010.
作者簡介:李永剛(1972-),男,講師,研究方向:自動化控制技術、嵌入式控制系統。