1 引言
随着现代生产加工工艺和加工效率的不断提高,激光打标机的应用范围也不断扩大延伸,从过去较单一的五金件、工艺品等的图标、序号打标,到现在的高速、精细的通讯、航天等行业的精密器件的加工的不断变化,用户对激光打标的精准度、速度的要求也越来越高。为了满足越来越高的用户要求,过去传统的基于单片机、ISA总线等开发的控制系统越来越满足不了新的要求。为此,本次设计采用了当前最先进成熟的TI(德州仪器)公司的TMS320F2812 DSP[1]作为本系统的核心CPU,此芯片是专门为工业控制应用而设计的高速处理器,最高运算速度可达150MHz/s,再配合功能丰富的外围功能器件,组成了一个功能强大的、可脱离PC机独立操作运行的嵌入式系统。
2 激光打标系统的基本工作原理
振镜式激光打标的基本工作原理如图1所示,激光通过X、Y振镜镜片的反射,经平场透镜聚焦后在工件表面形成高能量激光点,通过控制XY振镜的不同位置及激光的开关,实现激光点在工件表面上的移动,从而利用高能量对工件表面进行烧烛形成图案[8]。
为了能方便精确地控制激光及振镜,激光打标系统在设计上就分为两部分来进行,一部分为图形编辑及参数设置软件系统,方便用户对图形进行可见的、直观的设计、设置,从而把全数字化的数据传输给硬件进行控制。另一部分为硬件控制系统,主要按照图形数据及相关控制参数,进行精确的实时的控制输出,实时控制激光、振镜等相关部件,同时实时地检测一些相关的外部信号,如停止信号、保护信号、位置信号等。
3 硬件控制电路系统设计
硬件控制系统主要由两部分组成,一是电路设计部分,另一部分是DSP中的嵌入式控制软件部分。控制电路主要有USB通讯电路、扩展存储电路、D／A转换电路和FPGA电路等组成,结构原理框图如图2所示。
3.1 USB通讯接口
USB通讯模块采用FTDI公司的FT245,USB与DSP的连接采用GPIO操作,采用通用IO进行读写访问。USB实现电路图如图3所示。
采用DSP的通用IO口访问FT245,这里需要注意的是DSP的电平逻辑为3.3V,而FT245R的输入输出电平逻辑是+5V,他们之间要加电平转换逻辑[2]。
3.2 高速D/A转换电路
高速的数模转换是激光打标控制器的关键,DA输出的建立时间和精度是影响打标性能的两个非常重要的参数。本系统中需要二路D／A,分别控制振镜x轴和振镜y轴。本文中采用串行高速DA实现模拟量输出。DA芯片选用DAC7731,16位输出精度,建立时间小于10us。采用FPGA实现和DA芯片接口的时序逻辑,实现图路如图4所示。
DAC7731本身带有一个10的电压基准,无需外接电压参考。另外,该芯片根据配置的不同可以分别输出+/-10V和+/-5V电压。配置仅仅是改动几个电阻而已。另外,复位后DA芯片的电压输出也可以设置,本文复位后输出0V。
3.3 FPGA电路
本系统中CPLD采用Altera公司的CYCLONE系列的EP2C5系列芯片,FPGA的固件用软件QUATUS设计。FPGA主要用来控制USB芯片的数据传输,并由其扩展出中断按键和液晶显示模块。逻辑功能图如图5所示。
FPGA芯片还要完成激光控制功能,如激光Q脉冲的输出,激光开关信号,激光开关延时逻辑的实现以及FPS信号的逻辑设计。
FPGA还要完成4轴电机的插补控制。还提供了多达4个通道的脉冲输出,可以控制步进电机组成的多维运动控制平台,完成复杂的电机运动控制。
3.4 控制器嵌入软件开发
DSP中嵌入软件采用由TI公司提供的集成开发环境CCS来开发完成。控制软件的主要工作流程如图6所示。
4 结束语
本系统由于采用基于DSP TMS320F2812为CPU作为设计核心,整体体积小,功能强大,最高运算速度可达150MHZ;由于采用16位的高速D/A,打标速度快、控制精度高;采用USB2.0作为通讯端口,可实现与上位机的即插即用,并提升了数据传输的稳定性;采用了大容量的存储器,可实现打标文件的存储及数据动态存储调用。本系统已在实际工业生产中得到了很好的应用,整体性能稳定,抗干扰能力强,得到了用户的好评。
参考文献:
[1] Texas Instruments. TMS320C240 F240 DIGITAL SIGNAL PROCESSORS[Z],1996.
[2] 彭启琮,李玉柏. DSP技术[M]. 西安: 电子科技大学出版社, 1997.
[3] 刘政, 叶汉民. DSP与单片机通信的多种方案设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用. 2006(3):32－－35.
[4] 朱国庆, 付梦印. 基于DSP和单片机的双CPU数据处理系统[J]. 计算机工程与应用. 2005(21):113—115.
[5] 李于剑. Visual C++实践与提高—图形图像编程篇[M].北京:中国铁道出版社.2001.
[6] 唐荣锡, 汪嘉业, 彭群生, 汪国昭.计算机图形学教程[M].北京:科学出版社.2000.
[7] 白玮. 新型的中小功率激光加工机数控软件设计[J].自动化与仪表.2001(6):69—71.
[8] 唐玉俊. 基于DSP的激光打标控制器设计[D].合肥工业大学.2010.
作者简介:李永刚(1972-),男,讲师,研究方向:自动化控制技术、嵌入式控制系统。