一,、引言
隨著光電子技術(shù)的飛速發(fā)展,，激光雕刻技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛，雕刻精度要求越來越高,。體現(xiàn)激光材料加工的發(fā)展水平有三個方面的因素：第一是激光器技術(shù),，即應(yīng)用于激光材料加工的激光器件技術(shù)；第二是激光設(shè)備加工的機(jī)械,、控制系統(tǒng)等,，即激光加工設(shè)備；第三是激光加工工藝水平,。因?yàn)榧す馄骷夹g(shù)已經(jīng)是很成熟的技術(shù),，所以能否對激光設(shè)備進(jìn)行有效的控制以及激光的加工工藝水平成為激光雕刻技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。
目前,，國內(nèi)專門生產(chǎn)激光雕刻設(shè)備的廠家很多,，他們競爭已由激光器技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)す庠O(shè)備和加工工藝的有效控制，能否有效解決如下問題：三維圖形多軸聯(lián)動,、高速激光掃描和快速推進(jìn)引起的振動,、掃描幅面大小和掃描精度、激光的同步掃描和往復(fù)掃描錯位,、復(fù)雜算法和規(guī)則圖形插補(bǔ)問題等,，已經(jīng)成為競爭的關(guān)鍵。
二、基于DSP和FPGA的設(shè)計
針對上述各種問題,，結(jié)合多年運(yùn)動控制的經(jīng)驗(yàn),，我們設(shè)計了基于資源豐富的FPGA和功能強(qiáng)大的DSP的運(yùn)動控制卡——MPC03，在激光雕刻調(diào)試中,，成功的解決了上述各種問題,。
1、MPC03卡簡介
⑴ DSP從主機(jī)接收運(yùn)動指令或運(yùn)動指令塊,，并把從主機(jī)讀取的大量圖形數(shù)據(jù)實(shí)時的寫入FPGA的RAM區(qū)，并向主機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)：位置,、I/O狀態(tài)等,；
⑵ FPGA芯片根據(jù)接收的指令，完成多軸電機(jī)的運(yùn)動控制（二維圖形為兩軸,，三維圖形為三軸）：位置,、速度、插補(bǔ),、PID調(diào)節(jié)等,；
⑶ 在運(yùn)動過程中，F(xiàn)PGA同步讀取RAM區(qū)的圖形數(shù)據(jù),，根據(jù)不同的‘0’或‘1’狀態(tài),，實(shí)時地 決定是否開關(guān)光，而且并行處理與運(yùn)動有關(guān)的外部I/O信號和通用I/O信號,。
⑷ MPC03卡性能指標(biāo)如下：
最高脈沖輸出頻率FH：15MHz
脈沖輸出頻率范圍F：0.002～15,000,000 Hz
最小分辨率Mmin ：0.002
脈沖頻率設(shè)置步長R ：1～8191
定位脈沖數(shù)范圍R0 ：0～4,294,967,295
自動降速點(diǎn)設(shè)置范圍R6 ：0～4,294,967,295
增減計數(shù)器設(shè)置范圍R10：0～4,294,967,295
2．MPC03卡設(shè)計和功能實(shí)現(xiàn)
⑴ 硬件電路設(shè)計
在MPC03卡中主要有DSP,、FPGA兩個功能芯片，在DSP周圍擴(kuò)展了多個FLASH和SRAM來存儲程序和數(shù)據(jù),，每兩個FLASH和SRAM可以共用一個片選信號CS,，組成高低雙字32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀寫，可以提高DSP與MEMORY的通信速度,，同時為FPGA配置了一個EPROM來存儲下載的程序,。連接DSP局部總線和PCI接口的芯片是PCI總線控制器（PCI橋），它包含了一個128KBit的雙口共享存儲器,，來實(shí)現(xiàn)DSP局部總線和PCI系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)交換,，另外為其配置了一個EEPROM來存儲數(shù)據(jù)，同時本卡順應(yīng)了即插即用接口設(shè)計趨勢,，擴(kuò)展了USB接口,。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低電壓操作,，I/O信號電壓是3.3V,，而內(nèi)核電壓是1.8V，所以配置了能同時輸出3.3V和1.8V兩種電壓的電壓調(diào)整器。請參照MPC03卡邏輯結(jié)構(gòu)圖,。
一,、引言
隨著光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雕刻技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛,，雕刻精度要求越來越高,。體現(xiàn)激光材料加工的發(fā)展水平有三個方面的因素：第一是激光器技術(shù)，即應(yīng)用于激光材料加工的激光器件技術(shù),；第二是激光設(shè)備加工的機(jī)械,、控制系統(tǒng)等，即激光加工設(shè)備,；第三是激光加工工藝水平,。因?yàn)榧す馄骷夹g(shù)已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，所以能否對激光設(shè)備進(jìn)行有效的控制以及激光的加工工藝水平成為激光雕刻技術(shù)應(yīng)用的瓶頸,。
目前,，國內(nèi)專門生產(chǎn)激光雕刻設(shè)備的廠家很多，他們競爭已由激光器技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)す庠O(shè)備和加工工藝的有效控制,，能否有效解決如下問題：三維圖形多軸聯(lián)動,、高速激光掃描和快速推進(jìn)引起的振動、掃描幅面大小和掃描精度,、激光的同步掃描和往復(fù)掃描錯位,、復(fù)雜算法和規(guī)則圖形插補(bǔ)問題等，已經(jīng)成為競爭的關(guān)鍵,。
二,、基于DSP和FPGA的設(shè)計
針對上述各種問題，結(jié)合多年運(yùn)動控制的經(jīng)驗(yàn),，我們設(shè)計了基于資源豐富的FPGA和功能強(qiáng)大的DSP的運(yùn)動控制卡——MPC03,，在激光雕刻調(diào)試中，成功的解決了上述各種問題,。
1,、MPC03卡簡介
⑴ DSP從主機(jī)接收運(yùn)動指令或運(yùn)動指令塊，并把從主機(jī)讀取的大量圖形數(shù)據(jù)實(shí)時的寫入FPGA的RAM區(qū),，并向主機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)：位置,、I/O狀態(tài)等；
⑵ FPGA芯片根據(jù)接收的指令,，完成多軸電機(jī)的運(yùn)動控制（二維圖形為兩軸,，三維圖形為三軸）：位置、速度,、插補(bǔ),、PID調(diào)節(jié)等,；
⑶ 在運(yùn)動過程中，F(xiàn)PGA同步讀取RAM區(qū)的圖形數(shù)據(jù),，根據(jù)不同的‘0’或‘1’狀態(tài),，實(shí)時地 決定是否開關(guān)光，而且并行處理與運(yùn)動有關(guān)的外部I/O信號和通用I/O信號,。
⑷ MPC03卡性能指標(biāo)如下：
最高脈沖輸出頻率FH：15MHz
脈沖輸出頻率范圍F：0.002～15,000,000 Hz
最小分辨率Mmin ：0.002
脈沖頻率設(shè)置步長R ：1～8191
定位脈沖數(shù)范圍R0 ：0～4,294,967,295
自動降速點(diǎn)設(shè)置范圍R6 ：0～4,294,967,295
增減計數(shù)器設(shè)置范圍R10：0～4,294,967,295
2．MPC03卡設(shè)計和功能實(shí)現(xiàn)
⑴ 硬件電路設(shè)計
在MPC03卡中主要有DSP,、FPGA兩個功能芯片，在DSP周圍擴(kuò)展了多個FLASH和SRAM來存儲程序和數(shù)據(jù),，每兩個FLASH和SRAM可以共用一個片選信號CS,，組成高低雙字32位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行讀寫，可以提高DSP與MEMORY的通信速度,，同時為FPGA配置了一個EPROM來存儲下載的程序,。連接DSP局部總線和PCI接口的芯片是PCI總線控制器（PCI橋），它包含了一個128KBit的雙口共享存儲器,，來實(shí)現(xiàn)DSP局部總線和PCI系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)交換，另外為其配置了一個EEPROM來存儲數(shù)據(jù),，同時本卡順應(yīng)了即插即用接口設(shè)計趨勢,，擴(kuò)展了USB接口。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗,、低電壓操作,，I/O信號電壓是3.3V，而內(nèi)核電壓是1.8V,，所以配置了能同時輸出3.3V和1.8V兩種電壓的電壓調(diào)整器,。請參照MPC03卡邏輯結(jié)構(gòu)圖。
FPGA資源充足,，性價比高,，能現(xiàn)場重復(fù)多次編程，可以針對不同的小批量客戶的具體要求,，靈活地修改設(shè)計,。DSP具有高速浮點(diǎn)運(yùn)算的能力，對S-曲線運(yùn)動過程中的數(shù)據(jù)和一些插補(bǔ)算法,，進(jìn)行運(yùn)算處理,，擺脫對PC機(jī)的依賴，并把處理的數(shù)據(jù)實(shí)時地與FPGA通信,。PCI接口使用比較普遍,，總線資源豐富，通訊速度塊,、尋址空間范圍大,。USB接口可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)工作，不必為每塊卡配置一臺PC機(jī)，工業(yè)現(xiàn)場使用方便,，成本低,，符合時代發(fā)展趨勢。
⑵ 解決問題的方案
由于本方案確定得當(dāng),，在每一片F(xiàn)PGA芯片上可以實(shí)現(xiàn)四軸功能完全相同但彼此相互獨(dú)立的操作,，能夠?qū)崿F(xiàn)多軸聯(lián)動，對于平面圖形和三維圖形處理,，可以采用兩軸和三軸聯(lián)動即可,。
在高速往返運(yùn)動和快速行推進(jìn)過程中，如果不加技術(shù)處理,，如梯形圖所示,，在加速度很大的高速運(yùn)動過程中，就會出現(xiàn)振動,、沖擊,，圖形就會出現(xiàn)不規(guī)則的錯位，嚴(yán)重時就會出現(xiàn)類似波紋狀的變形,。如果將加速度減小,，則增速時間（t2－t1）就很大，由于加工區(qū)在高速段（FH勻速段）,，這樣就造成有效加工幅面減小,。為了解決這個問題，在變速運(yùn)動中采用S曲線,，可以使運(yùn)動在很短的時間里,，由低速向高速或由高速向低速平緩地過渡。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)的實(shí)驗(yàn),，在同一設(shè)備上,，可以大大的提高工作效率和圖形的加工質(zhì)量。
為了存儲大量的掃描數(shù)據(jù)和達(dá)到同步掃描的目的,，我們巧妙地利用了FPGA內(nèi)置的2MBit塊RAM資源來存儲每行的圖象數(shù)據(jù),。在本設(shè)計中，我們開辟了9根地址線尋址的32Bit數(shù)據(jù)總線接口的RAM區(qū),，即16KBit,。如果每個掃描象素為0.1mm，按最高的掃描精度,，則理論上掃描幅面可以達(dá)到1.6m,。掃描從低位地址向高位地址，從每行的低位向高位依次進(jìn)行,。每個掃描脈沖,，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動激光頭前進(jìn)一步,，同時從RAM區(qū)中讀取一個圖形數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀取數(shù)據(jù)的‘1’或‘0’的狀態(tài)決定是否開關(guān)光,。因?yàn)镈SP每次向FPGA的RAM區(qū)寫入一行圖形數(shù)據(jù)512×32Bit,，所以在對這些16KBit數(shù)據(jù)處理期間，DSP不需再向FPGA寫數(shù)據(jù),。不僅大大提高了激光設(shè)備的工作效率,，而且也保證了掃描的同步性，對于往復(fù)掃描出現(xiàn)的整體錯位,，在軟件上進(jìn)行反向補(bǔ)償也提供了可行性,。
3、系統(tǒng)的抗干擾措施
干擾是工業(yè)現(xiàn)場和實(shí)際應(yīng)用中不可避免的現(xiàn)象,，系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要標(biāo)志,。印刷電路板是器件、信號線,、電源線的高度集合體,，它設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。在本設(shè)計中主要采用了以下抗干擾措施：
⑴ 數(shù),、模電路分開：在內(nèi)部電路和外部機(jī)械輸入信號中間采用普通光耦或高速光耦進(jìn)行隔離,，將它們的電源和地線分開。
⑵ 配置數(shù)字濾波器：對于FPGA芯片的幾個信號,，復(fù)位,、報警,、回零等,，能引起系統(tǒng)復(fù)位或停止，為了增加系統(tǒng)可靠性,，要加數(shù)字濾波器,，在此可以用軟件實(shí)現(xiàn)，用VHDL語言使這幾個信號經(jīng)過幾級D觸發(fā)器（級數(shù)視情況而定）,，再對各級信號進(jìn)行邏輯與或邏輯或,。
三、結(jié)束語
隨著光電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展,，激光雕刻必將獲得更為廣泛的應(yīng)用,，進(jìn)而推動DSP和FPGA在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。在可以預(yù)見的將來,，DSP技術(shù)和FPGA必將在航天,、通信、激光雕刻等諸多領(lǐng)域中獲得更為廣泛的應(yīng)用,，進(jìn)而推動著這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,。