基于PCI的激光標刻控制系統(tǒng)研究

摘 要：介紹一種基于PCI總線的激光標刻控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)采用PLX公司PCI總線控制芯片PCI9052作為接口芯片；采用Altera公司的CPLD控制器件EPM7064和AHDL編程語言，設(shè)計IP軟核，實現(xiàn)局部總線的譯碼及功能電路的邏輯控制；基于IP核的PWM控制電路控制時鐘取自33 MHz的PCI總線時鐘，分頻獲得8位控制精度的PWM占空比調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了高精度的固定頻率和可變頻率的PWM信號輸出。配合硬件設(shè)計開發(fā)了測試軟件和激光標刻應(yīng)用軟件，加快了硬件的設(shè)計過程和推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：激光標刻；PCI總線；CPLD；IP核；PWM電路

0 引 言
    由于激光具有優(yōu)異的單色性、相干性、方向性，同時具有很高的能量密度，因此廣泛應(yīng)用于材料加工。隨著物品打標過程中對防偽、精度、環(huán)保等方面的需求日益提高，激光標刻設(shè)備，特別是激光飛動標刻設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛引。在此，主要介紹了激光標刻控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，著重分析了基于PCI的控制卡電路設(shè)計中的關(guān)鍵問題，同時介紹了標刻軟件的主要功能。該控制系統(tǒng)具有4路16位D／A輸出、3路16位計數(shù)器、4路DI／DO、1路PWM激光功率控制輸出功能。系統(tǒng)在應(yīng)用中性能穩(wěn)定，功能完備，已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

1 激光標刻控制卡設(shè)計
    激光標刻系統(tǒng)控制卡是整個控制系統(tǒng)的中樞，連接著控制軟件與執(zhí)行機構(gòu)?？刂瓶ńY(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基于PCI總線接口控制電路、本地邏輯控制電路及功能電路等3部分組成。

    PCI接口電路用于實現(xiàn)PCI總線邏輯到本地邏輯的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用PLX公司PCI總線控制芯片PCl9052作為接口芯片，采用E2PROOM配置芯片作為HT93LC46。由于接口芯片的豐富功能，簡化了接口設(shè)計，使工作集中在本地邏輯設(shè)計上，采用WDM驅(qū)動程序，實現(xiàn)計算機對設(shè)備的統(tǒng)一管理。本地邏輯控制電路采用IP核實現(xiàn)局部總線的譯碼及功能電路的邏輯控制，通過Altera公司的CPLD控制器EPM7064設(shè)計實現(xiàn)，可在線編程擴展接口控制功能。功能電路包括D／A電路、I／O電路、PWM電路及計數(shù)器電路等組成部分；系統(tǒng)選用模擬器件公司D／A控制器件AD7847或AD5547作為關(guān)鍵器件，實現(xiàn)一5～+5 V及0～10 V模擬電壓輸出。
1．1 基于IP核的固定頻率PWM電路設(shè)計
    在CO2激光標刻設(shè)備中，控制卡通過PWM電路輸出脈寬頻率可調(diào)的控制信號對激光電源的放電時間進行控制，以實現(xiàn)對激光輸出功率的精確控制。設(shè)計中采用CPLD，使設(shè)計配置非常靈活，可根據(jù)整體需要設(shè)計相應(yīng)功能的IP軟核，節(jié)約板載資源。方案采用Al-tera公司的硬件編程語言AHDL設(shè)計；結(jié)合器件EPM7064SLC44-10實現(xiàn)PWM控制器。基于IP核的PWM控制電路，控制時鐘取自33 MHz的PCI總線時鐘，可有效利用接口資源。
    IP軟核4 kHz的輸出頻率通過對33 MHz時鐘8 196分頻獲得。8位的控制精度可實現(xiàn)占空比0～1的256級調(diào)節(jié)，其軟核的原型符號如圖2所示。其中，Load作為控制數(shù)據(jù)載入控制端，在該信號有效時，將8位控制數(shù)據(jù)IN[7．．O]載入內(nèi)部控制寄存器。EN信號為輸出有效信號，用于控制PWM輸出，當該信號有效時，輸出PWM。LCLKIN信號提供IP軟核的工作頻率，PWM輸出信號的基頻是由該信號分頻得出的。

    軟核內(nèi)部控制語句如下，其中PWMDATA為PWM波輸出的控制邏輯，當其輸出為高電平時，輸出進行翻轉(zhuǎn)。

    END IF;
    END IF；
    軟核的仿真波形及示波器輸出波形如圖3所示。

1．2 基于IP核的頻率可調(diào)PWM電路設(shè)計
    頻率、脈寬可調(diào)的PWM發(fā)生電路中原形符號如圖4所示。其中，EN信號使能該器件；WR寫信號與PFD0，PFDl及PCD0，PCDl配合，實現(xiàn)頻率及脈寬控制字的寫入，控制位寬為12位，實現(xiàn)4 096級調(diào)節(jié)。LclkIn為全局時鐘信號，該信號來自8分頻后的33 MHz的PCI接口時鐘，因此IP核能實現(xiàn)1 kHz～4 MHz的頻率調(diào)節(jié)及0～100％內(nèi)最大4 096級的占空比調(diào)節(jié)。8位數(shù)據(jù)寬度的DATAIn接El用于控制數(shù)據(jù)的輸入。IP核功能實現(xiàn)的程序如下：

    功能仿真波形如圖5所示。

    采用IP核實現(xiàn)頻率可調(diào)的PWM發(fā)生電路時對邏輯器件內(nèi)部資源的消耗較大，相比之下，固定頻率的IP占用的邏輯資源較少，因此更適合用于為激光器頻率固定的應(yīng)用場合提供高精度的脈寬調(diào)制。

2 控制軟件介紹
    針對板卡的調(diào)試及實際激光標刻系統(tǒng)的應(yīng)用，分別開發(fā)了TestStar硬件板卡測試軟件及LaserStar激光標刻軟件系統(tǒng)。
    板卡功能測試軟件能完成對板卡所有功能的測試。
不僅提供通道選擇功能，用于D／A控制輸出的測試；而且提供DI輸入信號檢測，DO輸出信號測試；以及COUNTER計算器測試等功能。通過測試軟件的設(shè)計，提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率，同時可分開對各模塊的實際效能進行測試，及時發(fā)現(xiàn)各個模塊設(shè)計的不足，使系統(tǒng)在實際標刻過程中更穩(wěn)定。
    激光標刻軟件系統(tǒng)可方便地編輯單線體文字、TTF文字、日期、時間、序列號；可自動進行圖形對齊、圓形排版功能；可以用鼠標繪制圖形；可方便地導(dǎo)入PLT圖形文件，以及從BMP圖像提取圖形輪廓。它在不影響生產(chǎn)線正常運作的情況下，可實現(xiàn)流水生產(chǎn)線上產(chǎn)品的激光在線標刻，從而大大提高生產(chǎn)效率。標刻速度范圍達到O～60 m／min或1～20標／s。

    系統(tǒng)可方便地修改標刻內(nèi)容，設(shè)置標刻功率大小、速度快慢等控制參數(shù)。標刻線條流暢，深淺自如。用戶還可設(shè)計特殊的防偽碼，因為采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù)，不同的用戶即使都擁有標刻系統(tǒng)，也不能標刻完全一樣的內(nèi)容，使得系統(tǒng)具備良好的防偽標刻功能。系統(tǒng)標刻的實際標刻效果如圖6所示。

3 總結(jié)與展望
    基于計算機PCI總線設(shè)計激光標刻控制系統(tǒng)，提高了控制指令發(fā)送速度和控制精度。設(shè)計開發(fā)了Win-dows 2000／xP下的WDM驅(qū)動程序；提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；減少了硬件兼容性及誤操作造成的系統(tǒng)死機、藍屏等現(xiàn)象。采用CPLD器件將本地邏輯處理及控制數(shù)據(jù)的存儲等功能集于一身；采用Altera公司的硬件編程語言AHDL設(shè)計了IP軟核；結(jié)合器件EPM7064SLC44-10實現(xiàn)固定頻率及可變頻率的PWM信號精確輸出，減少了分離器件的使用，使系統(tǒng)模塊化程度大大提高，簡化了PCB布局布線，同時利于系統(tǒng)的升級和擴展。利用CPLD優(yōu)良的加密性能，將系統(tǒng)特征信息及加密邏輯存儲其中，與控制軟件配合實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件加密，確保系統(tǒng)的惟一性，可有效提高標刻內(nèi)容的防偽能力。該控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。