运动控制卡在激光雕刻领域的研究与应用

    摘要：本文简要地介绍了目前国内激光雕刻领域的现状以及存在的一些难题，并针对这些问题，制定了基于DSP和FPGA芯片的结构方案，开发了一款MPC03系列运动控制卡；阐述了MPC03卡的功能和特点，并对上述的各种问题提供了成功的解决方案。  

 关键字：DSP FPGA MPC03 激光雕刻 扫描 运动控制  

一、引言   

       随着光电子技术的飞速发展，激光雕刻技术应用范围越来越广泛，雕刻精度要求越来越高。体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素：第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术；第二是激光设备加工的机械、控制系统等，即激光加工设备；第三是激光加工工艺水平。因为激光器技术已经是很成熟的技术，所以能否对激光设备进行有效的控制以及激光的加工工艺水平成为激光雕刻技术应用的瓶颈。   

      目前，国内专门生产激光雕刻设备的厂家很多，他们竞争已由激光器技术转向对激光设备和加工工艺的有效控制，能否有效解决如下问题：三维图形多轴联动、高速激光扫描和快速推进引起的振动、扫描幅面大小和扫描精度、激光的同步扫描和往复扫描错位、复杂算法和规则图形插补问题等，已经成为竞争的关键。  



二、基于DSP和FPGA的设计   

  针对上述各种问题，结合多年运动控制的经验，我们设计了基于资源丰富的FPGA和功能强大的DSP的运动控制卡——MPC03，在激光雕刻调试中，成功的解决了上述各种问题。  

1、MPC03卡简介  

⑴ DSP从主机接收运动指令或运动指令块，并把从主机读取的大量图形数据实时的写入FPGA的RAM区，并向主机发送运行状态：位置、I/O状态等；  

⑵ FPGA芯片根据接收的指令，完成多轴电机的运动控制（二维图形为两轴，三维图形为三轴）：位置、速度、插补、PID调节等；  

⑶ 在运动过程中，FPGA同步读取RAM区的图形数据，根据不同的‘0’或‘1’状态，实时地 决定是否开关光，而且并行处理与运动有关的外部I/O信号和通用I/O信号。  

⑷ MPC03卡性能指标如下：  

最高脉冲输出频率FH：15MHz  

脉冲输出频率范围F：0.002～15,000,000 Hz  

最小分辨率Mmin ：0.002  

脉冲频率设置步长R ：1～8191  

定位脉冲数范围R0 ：0～4,294,967,295  

自动降速点设置范围R6 ：0～4,294,967,295  

增减计数器设置范围R10：0～4,294,967,295  

2．MPC03卡设计和功能实现  

⑴ 硬件电路设计   

        在MPC03卡中主要有DSP、FPGA两个功能芯片，在DSP周围扩展了多个FLASH和SRAM来存储程序和数据，每两个FLASH和SRAM可以共用一个片选信号CS，组成高低双字32位数据总线进行读写，可以提高DSP与MEMORY的通信速度，同时为FPGA配置了一个EPROM来存储下载的程序。连接DSP局部总线和PCI接口的芯片是PCI总线控制器（PCI桥），它包含了一个128KBit的双口共享存储器，来实现DSP局部总线和PCI系统总线的数据交换，另外为其配置了一个EEPROM来存储数据，同时本卡顺应了即插即用接口设计趋势，扩展了USB接口。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低电压操作，I/O信号电压是3.3V，而内核电压是1.8V，所以配置了能同时输出3.3V和1.8V两种电压的电压调整器。请参照MPC03卡逻辑结构图。  

FPGA资源充足，性价比高，能现场重复多次编程，可以针对不同的小批量客户的具体要求，灵活地修改设计。DSP具有高速浮点运算的能力，对S-曲线运动过程中的数据和一些插补算法，进行运算处理，摆脱对PC机的依赖，并把处理的数据实时地与FPGA通信。PCI接口使用比较普遍，总线资源丰富，通讯速度块、寻址空间范围大。USB接口可实现脱机工作，不必为每块卡配置一台PC机，工业现场使用方便，成本低，符合时代发展趋势。  

⑵ 解决问题的方案   

        由于本方案确定得当，在每一片FPGA芯片上可以实现四轴功能完全相同但彼此相互独立的操作，能够实现多轴联动，对于平面图形和三维图形处理，可以采用两轴和三轴联动即可。   

       在高速往返运动和快速行推进过程中，如果不加技术处理，如梯形图所示，在加速度很大的高速运动过程中，就会出现振动、冲击，图形就会出现不规则的错位，严重时就会出现类似波纹状的变形。如果将加速度减小，则增速时间（t2－t1）就很大，由于加工区在高速段（FH匀速段），这样就造成有效加工幅面减小。为了解决这个问题，在变速运动中采用S曲线，可以使运动在很短的时间里，由低速向高速或由高速向低速平缓地过渡。经过现场反复的实验，在同一设备上，可以大大的提高工作效率和图形的加工质量。  



        为了存储大量的扫描数据和达到同步扫描的目的，我们巧妙地利用了FPGA内置的2MBit块RAM资源来存储每行的图象数据。在本设计中，我们开辟了9根地址线寻址的32Bit数据总线接口的RAM区，即16KBit。如果每个扫描象素为0.1mm，按最高的扫描精度，则理论上扫描幅面可以达到1.6m。扫描从低位地址向高位地址，从每行的低位向高位依次进行。每个扫描脉冲，步进电机驱动激光头前进一步，同时从RAM区中读取一个图形数据，并根据读取数据的‘1’或‘0’的状态决定是否开关光。因为DSP每次向FPGA的RAM区写入一行图形数据512×32Bit，所以在对这些16KBit数据处理期间，DSP不需再向FPGA写数据。不仅大大提高了激光设备的工作效率，而且也保证了扫描的同步性，对于往复扫描出现的整体错位，在软件上进行反向补偿也提供了可行性。 

3、系统的抗干扰措施  

        干扰是工业现场和实际应用中不可避免的现象，系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要标志。印刷电路板是器件、信号线、电源线的高度集合体，它设计的好坏对抗干扰能力影响很大。在本设计中主要采用了以下抗干扰措施： 

⑴ 数、模电路分开：在内部电路和外部机械输入信号中间采用普通光耦或高速光耦进行隔离，将它们的电源和地线分开。 

⑵ 配置数字滤波器：对于FPGA芯片的几个信号，复位、报警、回零等，能引起系统复位或停止，为了增加系统可靠性，要加数字滤波器，在此可以用软件实现，用VHDL语言使这几个信号经过几级D触发器（级数视情况而定），再对各级信号进行逻辑与或逻辑或。 

三、结束语  

          随着光电子技术和大规模集成电路的不断发展，激光雕刻必将获得更为广泛的应用，进而推动DSP和FPGA在相关领域的应用和发展。在可以预见的将来，DSP技术和FPGA必将在航天、通信、激光雕刻等诸多领域中获得更为广泛的应用，进而推动着这些技术的进一步发展。