基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)

激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運(yùn)用于廣告業(yè)和航模制造業(yè)。在大尺寸激光加工系統(tǒng)的開發(fā)過程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問題。解決速度問題的一般方法是在電機(jī)每次運(yùn)動前、后設(shè)置加、減速區(qū)，但這會使加工數(shù)據(jù)總量成倍增加。除此之外，龐大的數(shù)據(jù)計算量也需要一個專門的高性能處理器來實(shí)現(xiàn)。

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)在并行信號處理方面具有極大的優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用FPGA作為加工數(shù)據(jù)的執(zhí)行器件。這種解決方案突出的特點(diǎn)是讓運(yùn)動控制的處理部分以獨(dú)立的、硬件性方式展開，增加系統(tǒng)的性能和可靠性，從而有效地解決了用單純的MCU或DSP系統(tǒng)處理的帶寬限制，以及用戶系統(tǒng)軟件和運(yùn)動控制軟件混雜性的問題。

當(dāng)今國內(nèi)外市場上已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)類似的FPGA產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大多使用FPGA完成從原始數(shù)據(jù)處理到執(zhí)行的全部工作。此種結(jié)構(gòu)雖然可以簡化FPGA外部的電路設(shè)計，但是由于FPGA做復(fù)雜數(shù)學(xué)計算的能力有限，不能對復(fù)雜圖形尤其是不規(guī)則圖形做出全面的分析，導(dǎo)致加工速度無法進(jìn)一步提升。除此之外，這些產(chǎn)品大多采用寫入一條數(shù)據(jù)、執(zhí)行一條數(shù)據(jù)的工作方式，造成了執(zhí)行相鄰兩條數(shù)據(jù)間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復(fù)雜圖形時還會明顯地影響加工速度。

本系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理器DSP完成復(fù)雜的圖形分析計算，這樣既可以對復(fù)雜圖形做出全面的分析又不會喪失系統(tǒng)性能。除此之外，本系統(tǒng)還在FPGA內(nèi)部采用了雙存儲器交替加工的結(jié)構(gòu)，從根本上消除了相鄰數(shù)據(jù)間的加工停頓。

1 系統(tǒng)設(shè)計

激光加工系統(tǒng)主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統(tǒng)在控制工作頭做矢量運(yùn)動的同時，配合激光在被加工物體上切割出不同的線條；雕刻是指系統(tǒng)控制激光頭在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行往復(fù)掃描，以類似打印機(jī)的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統(tǒng)采用由計算機(jī)獲得圖形并傳輸至下位機(jī)，由下位機(jī)保存圖形并脫機(jī)加工的結(jié)構(gòu)。

圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在數(shù)據(jù)傳輸階段，加工數(shù)據(jù)由計算機(jī)通過以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號為標(biāo)志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存儲器。在脫機(jī)加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲器重新讀出并進(jìn)行處理、計算，并將最終的加工數(shù)據(jù)輸入FPGA（EP1C6T144C8）內(nèi)部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內(nèi)部的通訊模塊和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，獲取有關(guān)人機(jī)界面和諸如限位開關(guān)、激光器散熱水泵等保護(hù)器件的工作狀態(tài)。

加工信號預(yù)處理電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光電隔離器組成。它負(fù)責(zé)將FPGA輸出的加工信號進(jìn)行處理后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)和激光器。

2 DSP的軟件設(shè)計

2.1 加減速區(qū)的分析及計算

在待機(jī)階段，DSP將從計算機(jī)取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并合理分配加、減速區(qū)域。圖2為加、減速區(qū)示意圖。加減速區(qū)是用多段幅值較小的速度變化代替一次較大的速度變化。對于大尺寸或高速運(yùn)動平臺來說，電機(jī)的加、減速過程必不可少。由原理可知，兩圖所圍面積大小相等，即工作頭移動距離相等。

在以往的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動算法的設(shè)計中，大多采用簡單的二次曲線進(jìn)行速度擬合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運(yùn)動平臺上并不能夠充分考慮到機(jī)械部件間的靜摩擦力和旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量等因素，其運(yùn)行效果并不理想。

本系統(tǒng)在加、減速區(qū)的計算過程中，通過將速度和加速時間的關(guān)系與“S”形曲線進(jìn)行擬合來得到加速區(qū)速度，通過將速度和減速時間的關(guān)系與反“S”形曲線進(jìn)行擬合得到減速區(qū)速度。圖3為加、減速區(qū)速度-時間擬合曲線，曲線的斜率代表工作頭移動的加速度。從圖3可見，加、減速區(qū)所使用的擬合曲線并不相同，減速區(qū)曲線更為“陡峭”。這是由于減速過程中受機(jī)械系統(tǒng)摩擦力等因素的影響，電機(jī)負(fù)荷較小，可以承受更快的減速過程。使用“S”形曲線進(jìn)行擬合的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)過渡到行進(jìn)狀態(tài)的過程中，由于各機(jī)械部件之間存在靜摩擦力，可使電機(jī)較為平緩地啟動，避免了撞擊或丟步現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段時，可以使用較大的加速度進(jìn)行速度提升。但是，隨著速度的增加，電機(jī)的剩余功率將不斷減小，此時應(yīng)不斷減緩加速進(jìn)程。

(3)電機(jī)從行進(jìn)狀態(tài)過渡到靜止?fàn)顟B(tài)的減速過程中，此種擬合方法可以使電機(jī)平穩(wěn)過渡，避免發(fā)生撞擊。

2.2 復(fù)雜圖形的分析

在一幅復(fù)雜圖形中往往存在很多不連續(xù)、不規(guī)則的矢量，如果每條矢量的末尾都減速到零，勢必會影響加工速度。所以，在分析此類圖形時要連帶分析當(dāng)前矢量的前、后圖形情況，計算出各矢量的夾角以確定加工此矢量的初始速度及終止速度。表1為工作頭進(jìn)行不同角度轉(zhuǎn)彎時的極限速度。

3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計

從DSP的角度看，F(xiàn)PGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結(jié)果寫入此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類別數(shù)據(jù)并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術(shù)。

3.1數(shù)據(jù)并行讀取

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器受限于處理器的單任務(wù)特性，通常采用單片大容量存儲單元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費(fèi)多個讀取周期才能得到一組完整的數(shù)據(jù)。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統(tǒng)的設(shè)計形式，將不同類別數(shù)據(jù)存放于獨(dú)立的存儲單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得全部數(shù)據(jù)。運(yùn)用這種方式可以在讀數(shù)時間最小化的同時簡化編程，也可以使整體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。

3.2 雙存儲器交替工作

市場上已有的同類FPGA產(chǎn)品大多采用寫入1條數(shù)據(jù)、執(zhí)行1條數(shù)據(jù)的工作方式，這將在數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生停頓。本系統(tǒng)雖然采用了存儲器作為加工數(shù)據(jù)的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數(shù)據(jù)時依然會造成加工停頓。

圖4為雙存儲器組結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲器中的數(shù)據(jù)時，DSP可將計算結(jié)果寫入另一組存儲器。由于DSP的運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加工速度，所以雙存儲器架構(gòu)可以保證加工不被間斷。

圖5為FPGA加工程序流程圖?？梢姡诘刂穼R的前提下更換存儲器組需要改變存儲器組選擇信號并將地址計數(shù)器清零。此時，F(xiàn)PGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺，X、Y軸步進(jìn)電機(jī)采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉(zhuǎn)矩為2.2N.m，定位轉(zhuǎn)矩為700g.cm，電機(jī)接法采用并聯(lián)形式以突出高速性能。電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動經(jīng)減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周使工作頭移動24mm。

在實(shí)驗(yàn)中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。

圖形文件由PC機(jī)軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機(jī)加工，在切割模式下，長矢量的加工速度可以平穩(wěn)超過20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/min。在對一幅含有超過13萬條矢量的復(fù)雜圖形連續(xù)加工5次后，無肉眼可分辨的位置偏差。

由于本系統(tǒng)采用了DSP進(jìn)行圖形分析，使得系統(tǒng)對復(fù)雜圖形的處理能力得到了很大的提高。同時，F(xiàn)PGA內(nèi)部雙存儲器交替工作的結(jié)構(gòu)也從根本上解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中加工停頓的問題。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)擁有加工速度快、圖形處理能力強(qiáng)、使用簡便可靠等優(yōu)點(diǎn)。