新越激光-運動(dòng)控制卡與激光雕刻
一、引言
隨著(zhù)光電子技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雕刻技術(shù)應用范圍越來(lái)越廣泛，雕刻精度要求越來(lái)越高。體現激光材料加工的發(fā)展水平有三個(gè)方面的因素：第一是激光器技術(shù)，即應用于激光材料加工的激光器件技術(shù)；第二是激光設備加工的機械、控制系統等，即激光加工設備；第三是激光加工工藝水平。因為激光器技術(shù)已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，所以能否對激光設備進(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)應用的瓶頸。
目前，國內專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)激光雕刻設備的廠(chǎng)家很多，他們競爭已由激光器技術(shù)轉向對激光設備和加工工藝的有效控制，能否有效解決如下問(wèn)題：三維圖形多軸聯(lián)動(dòng)、高速激光掃描和快速推進(jìn)引起的振動(dòng)、掃描幅面大小和掃描精度、激光的同步掃描和往復掃描錯位、復雜算法和規則圖形插補問(wèn)題等，已經(jīng)成為競爭的關(guān)鍵。
二、基于DSP和FPGA的設計
針對上述各種問(wèn)題，結合多年運動(dòng)控制的經(jīng)驗，我們設計了基于資源豐富的FPGA和功能強大的DSP的運動(dòng)控制卡--MPC03，在激光雕刻調試中，成功的解決了上述各種問(wèn)題。
1、MPC03卡簡(jiǎn)介
⑴ DSP從主機接收運動(dòng)指令或運動(dòng)指令塊，并把從主機讀取的大量圖形數據實(shí)時(shí)的寫(xiě)入FPGA的RAM區，并向主機發(fā)送運行狀態(tài)：位置、I/O狀態(tài)等；
⑵ FPGA芯片根據接收的指令，完成多軸電機的運動(dòng)控制（二維圖形為兩軸，三維圖形為三軸）:位置、速度、插補、PID調節等；
⑶ 在運動(dòng)過(guò)程中，FPGA同步讀取RAM區的圖形數據，根據不同的‘0’或‘1’狀態(tài)，實(shí)時(shí)地決定是否開(kāi)關(guān)光，而且并行處理與運動(dòng)有關(guān)的外部I/O信號和通用I/O信號。
⑷ MPC03卡性能指標如下：
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
脈沖頻率設置步長(cháng)R ：1～8191
定位脈沖數范圍R0 ：0～4,294,967,295
自動(dòng)降速點(diǎn)設置范圍R6 ：0～4,294,967,295
增減計數器設置范圍R10：0～4,294,967,295
2．MPC03卡設計和功能實(shí)現
⑴ 硬件電路設計
在MPC03卡中主要有DSP、FPGA兩個(gè)功能芯片，在DSP周?chē)鷶U展了多個(gè)FLASH和SRAM來(lái)存儲程序和數據，每?jì)蓚€(gè)FLASH和SRAM可以共用一個(gè)片選信號CS，組成高低雙字32位數據總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)，可以提高DSP與MEMORY的通信速度，同時(shí)為FPGA配置了一個(gè)EPROM來(lái)存儲下載的程序。連接DSP局部總線(xiàn)和PCI接口的芯片是PCI總線(xiàn)控制器（PCI橋）,它包含了一個(gè)128KBit的雙口共享存儲器，來(lái)實(shí)現DSP局部總線(xiàn)和PCI系統總線(xiàn)的數據交換,另外為其配置了一個(gè)EEPROM來(lái)存儲數據，同時(shí)本卡順應了即插即用接口設計趨勢,擴展了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，而內核電壓是1.8V，所以配置了能同時(shí)輸出3.3V和1.8V兩種電壓的電壓調整器。請參照MPC03卡邏輯結構圖。
FPGA資源充足，性?xún)r(jià)比高，能現場(chǎng)重復多次編程，可以針對不同的小批量客戶(hù)的具體要求，靈活地修改設計。DSP具有高速浮點(diǎn)運算的能力，對S-曲線(xiàn)運動(dòng)過(guò)程中的數據和一些插補算法，進(jìn)行運算處理，擺脫對PC機的依賴(lài)，并把處理的數據實(shí)時(shí)地與FPGA通信。PCI接口使用比較普遍，總線(xiàn)資源豐富，通訊速度塊、尋址空間范圍大。USB接口可實(shí)現脫機工作，不必為每塊卡配置一臺PC機，工業(yè)現場(chǎng)使用方便，成本低，符合時(shí)代發(fā)展趨勢。
⑵ 解決問(wèn)題的方案
由于本方案確定得當，在每一片FPGA芯片上可以實(shí)現四軸功能完全相同但彼此相互獨立的操作，能夠實(shí)現多軸聯(lián)動(dòng)，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(dòng)即可。
在高速往返運動(dòng)和快速行推進(jìn)過(guò)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動(dòng)過(guò)程中，就會(huì )出現振動(dòng)、沖擊，圖形就會(huì )出現不規則的錯位，嚴重時(shí)就會(huì )出現類(lèi)似波紋狀的變形。如果將加速度減小，則增速時(shí)間（t2－t1）就很大，由于加工區在高速段（FH勻速段），這樣就造成有效加工幅面減小。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在變速運動(dòng)中采用S曲線(xiàn)，可以使運動(dòng)在很短的時(shí)間里，由低速向高速或由高速向低速平緩地過(guò)渡。經(jīng)過(guò)現場(chǎng)反復的實(shí)驗，在同一設備上，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據和達到同步掃描的目的，我們巧妙地利用了FPGA內置的2MBit塊RAM資源來(lái)存儲每行的圖象數據。在本設計中，我們開(kāi)辟了9根地址線(xiàn)尋址的32Bit數據總線(xiàn)接口的RAM區，即16KBit。如果每個(gè)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(gè)掃描脈沖，步進(jìn)電機驅動(dòng)激光頭前進(jìn)一步，同時(shí)從RAM區中讀取一個(gè)圖形數據，并根據讀取數據的‘1’或‘0’的狀態(tài)決定是否開(kāi)關(guān)光。因為DSP每次向FPGA的RAM區寫(xiě)入一行圖形數據512×32Bit，所以在對這些16KBit數據處理期間，DSP不需再向FPGA寫(xiě)數據。不僅大大提高了激光設備的工作效率，而且也保證了掃描的同步性，對于往復掃描出現的整體錯位，在軟件上進(jìn)行反向補償也提供了可行性。
3、系統的抗干擾措施
干擾是工業(yè)現場(chǎng)和實(shí)際應用中不可避免的現象，系統的抗干擾性能是系統可{$content$}amp;*性的重要標志。印刷電路板是器件、信號線(xiàn)、電源線(xiàn)的高度集合體，它設計的好壞對抗干擾能力影響很大。在本設計中主要采用了以下抗干擾措施：
⑴ 數、模電路分開(kāi)：在內部電路和外部機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(xiàn)分開(kāi)。
⑵ 配置數字濾波器：對于FPGA芯片的幾個(gè)信號，復位、報警、回零等，能引起系統復位或停止，為了增加系統可靠性，要加數字濾波器，在此可以用軟件實(shí)現，用VHDL語(yǔ)言使這幾個(gè)信號經(jīng)過(guò)幾級D觸發(fā)器（級數視情況而定），再對各級信號進(jìn)行邏輯與或邏輯或。
三、結束語(yǔ)
隨著(zhù)光電子技術(shù)和大規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用，進(jìn)而推動(dòng)DSP和FPGA在相關(guān)領(lǐng)域的應用和發(fā)展。在可以預見(jiàn)的將來(lái)，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用，進(jìn)而推動(dòng)著(zhù)這些。

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