基于DSP的激光打標(biāo)控制器設(shè)計(jì)

隨著激光打標(biāo)機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)激光打標(biāo)的速度和精度要求也越來(lái)越高。TI(德州儀器)公司的TMS320F2812DSP，是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高速處理器，應(yīng)用其來(lái)開(kāi)發(fā)激光打標(biāo)控制器具有實(shí)際意義，文中設(shè)計(jì)的激光打標(biāo)控制器應(yīng)用前景廣闊。

1 控制器的工作原理

振鏡式激光打標(biāo)控制器上位機(jī)是安裝了打標(biāo)軟件的計(jì)算機(jī)，文字和圖形通過(guò)圖像處理成大量的打標(biāo)數(shù)據(jù)，并在打標(biāo)軟件界面上顯示出效果圖。打標(biāo)數(shù)據(jù)由USB總線(xiàn)傳輸?shù)綌U(kuò)展存儲(chǔ)器RAM上，再由DSP按順序取出送入到D/A轉(zhuǎn)換芯片中，D/A芯片轉(zhuǎn)換后輸出-5～5 V的模擬電壓驅(qū)動(dòng)掃描振鏡和控制激光電源的功率，并由一路GPIO(通用輸入/輸出)引腳控制激光能量的開(kāi)關(guān)，x、y軸振鏡控制激光焦點(diǎn)在二維平面上有序移動(dòng)來(lái)完成各種形式的文字、圖形打標(biāo)。

2 振鏡式激光打標(biāo)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。振鏡式激光打標(biāo)控制器主要有USB通訊電路、擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和CPLD電路。

2.1 USB通訊接口

USB通訊模塊采用Cypress公司的CY7C68013，USB與DSP的連接方法有FIFO和GPIF兩種，在本系統(tǒng)中采用了FIFO方式，讀寫(xiě)信號(hào)由CPLD和DSP提供。USB芯片的SLOE連接到DSP的外部中斷，其他控制信號(hào)由DSP通過(guò)CPLD譯碼后與USB芯片連接，DSP的數(shù)據(jù)線(xiàn)和兩路地址線(xiàn)直接與USB相連。

2.2 高速D/A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換部分為控制器的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)中需要三路D/A，分別控制振鏡x軸和振鏡y軸以及激光功率。對(duì)于本系統(tǒng)AD7836的主要技術(shù)參數(shù)都符合要求：

(1)單片4路14位D/A轉(zhuǎn)換;(2)電壓輸出，最大電壓輸出范圍是±10 V;(3)輸出電壓的建立時(shí)間典型值為16 μs。

D/A電壓分辨率為：5 V/213=O.61 mV。雙極性和單極性電壓輸出相比電路省去了改變電壓極性的運(yùn)算放大器，使電路得到簡(jiǎn)化。

Ad7836支持與16位以上微處理器和DSP的接口，包括14位數(shù)據(jù)線(xiàn)，3位地址線(xiàn)A0、A1、A2，控制信號(hào)CS、CLR、WR、SEL。CS處于低電平是AD7836被選中;只有CLR處于高電平時(shí)D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器值才能控制模擬電壓輸出值;WR為低電平有效，可以聯(lián)合CS使數(shù)據(jù)寫(xiě)入輸入緩存器內(nèi)。SEL為高電平時(shí)用戶(hù)設(shè)定的寄存器E值輸出到VOUT，故可接地。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，由于采用外部接口XINTF，對(duì)D/A芯片的操作和從SRAM中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)一樣，控制D/A芯片的外部接口2區(qū)的起始地址是0X08 0000?？梢栽诔绦蛑须S時(shí)改變相應(yīng)值來(lái)控制D/A轉(zhuǎn)換的電壓值，進(jìn)而控制打標(biāo)點(diǎn)的位置。如要打標(biāo)圖片，則可以按逐行掃描的方式輸出各打標(biāo)點(diǎn)的位置和激光能量。

DSP與AD7836的引腳連接如圖2所示。

由于使用的振鏡的驅(qū)動(dòng)電壓范圍也是±5 V，在本系統(tǒng)中各通道的參考電壓VREF(+)和VREF(-)分別接±2.5 V。精確±2.5 V參照電壓在硬件電路設(shè)計(jì)中采用Microehip公司的專(zhuān)用2.5 V電壓基準(zhǔn)源MCPl525和OP運(yùn)算放大器MCP606。如圖3所示，+2.5 V的電壓基準(zhǔn)由MCPl525產(chǎn)生后，為了降低噪音，采用了RC低通濾波和MCP606，在這里MCP606作為電壓跟隨器使用。如圖4所示，-2.5 V電壓則由+2.5 V通過(guò)兩個(gè)等值電阻和MCP606構(gòu)成的分壓器產(chǎn)生。

AD7836和DSP的引腳電壓不同，故不能直接相連，系統(tǒng)中選用了SN74ALVCl64245芯片來(lái)隔離兩邊的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。其輸出使能控制引腳OE1和OE2均接低電平，數(shù)據(jù)線(xiàn)的方向DIR1和DIR2都接高電平，保證芯片輸出端隨輸入端即時(shí)變化。

2.3 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器用來(lái)暫存從上位機(jī)傳來(lái)的打標(biāo)數(shù)據(jù)，外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器采用IS61LV51216，為512 kB，16位的SRAM存儲(chǔ)器，共有19位地址總線(xiàn)，16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)。本系統(tǒng)中SARAM存取時(shí)間為10 ns，CMOS工藝，3.3 V供電，輸入輸出為T(mén)TL兼容，適合作為DSP的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器通過(guò)DSP的外部接口XINTF擴(kuò)展，采用F2812的/XZCS6AND7引腳作為片選，因此對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器映射的外部接口6區(qū)，地址范圍為0X10 0000～0X17FFFF。

2.4 CPLD系統(tǒng)

本系統(tǒng)中CPLD采用Altera公司的MAX3000A系列的EPM3256A芯片，CPLD的固件用軟件MAX+plusII設(shè)計(jì)。CPLD主要用來(lái)控制USB芯片的數(shù)據(jù)傳輸，并由其擴(kuò)展出中斷按鍵和液晶顯示模塊。另外DSP系統(tǒng)預(yù)留了多路GPIO接口，可以控制步進(jìn)電機(jī)組成的多維運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)。通過(guò)預(yù)留GPIO口并使用CPLD芯片，使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性增強(qiáng)。

3 控制器系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

控制系統(tǒng)的軟件由兩部分組成，上位機(jī)采用可視化面向?qū)ο笳Z(yǔ)言VB 6.O設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)打標(biāo)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和打包傳輸，以及用戶(hù)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互;下位機(jī)DSP由C/C++編寫(xiě)系統(tǒng)程序，用TI公司提供的高效的C編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：代碼工作室(CCS)來(lái)開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)的主要流程圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)的主要流程

打標(biāo)機(jī)開(kāi)機(jī)后下位機(jī)程序根據(jù)用戶(hù)界面上參數(shù)對(duì)各芯片和存儲(chǔ)器的初始化，參數(shù)包括激光能量、掃描次數(shù)、文字填充方式等。然后等待上位機(jī)由USB接口傳送打標(biāo)數(shù)據(jù)，打標(biāo)數(shù)據(jù)先保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這時(shí)無(wú)論從用戶(hù)界面還是鍵盤(pán)上發(fā)出開(kāi)始打標(biāo)指令后，DSP從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中取出打標(biāo)數(shù)據(jù)，送入D/A芯片中。D/A芯片輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動(dòng)振鏡，直到完成本次打標(biāo)。相同的打標(biāo)圖形只需傳輸一次數(shù)據(jù)，從軟件或鍵盤(pán)上選擇開(kāi)始加工按鈕即可。

在進(jìn)行圖形打標(biāo)時(shí)，導(dǎo)入圖形文件并作圖像處理后，轉(zhuǎn)化成打標(biāo)位置數(shù)據(jù);文字打標(biāo)時(shí)在VisualBasic中調(diào)用Windows API函數(shù)GetGly-phOutline得到文字的外形輪廓，可以進(jìn)行放縮、旋轉(zhuǎn)等操作而不影響文字顯示質(zhì)量，并通過(guò)DrawGlyph函數(shù)將其顯示效果在用戶(hù)界面上顯示。圖6是軟件用戶(hù)界面漢字的顯示效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一種基于TMS320F2812DSP的激光打標(biāo)控制器，采用了一個(gè)4路輸出的D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)控制振鏡和激光電源，高性能D/A轉(zhuǎn)換模塊使激光打標(biāo)的速度和精度有較大提高，使用USB接口使打標(biāo)控制器可以即插即用，且提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。系統(tǒng)上位機(jī)用Visual Basic編程，下位機(jī)用C語(yǔ)言編程，程序移植容易。開(kāi)發(fā)出的打標(biāo)系統(tǒng)在速度、精度上均達(dá)到了理想的效果。文中描述了軟硬件系統(tǒng)，對(duì)振鏡式激光打標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)有普遍的參考價(jià)值。