嵌入式激光打標(biāo)機(jī)運(yùn)動控制卡軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：嵌入式激光打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)打標(biāo)功能，還可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且其擁有結(jié)構(gòu)緊湊，功耗低和實(shí)施性好的特點(diǎn)，這使得嵌入系統(tǒng)飛速發(fā)展。本文就嵌入式激光機(jī)打標(biāo)機(jī)運(yùn)動控制卡軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了進(jìn)一步探討。

關(guān)鍵詞：嵌入式；激光打標(biāo)機(jī)；運(yùn)動控制；軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP273

1 緒論

1.1 激光打標(biāo)概述與現(xiàn)狀。自激光器問世以來，它就以非?？斓乃俣劝l(fā)展。由于激光擁有單色性、相干性、方向性好以及高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在激光加工，激光武器，激光治療方面有很多應(yīng)用?，F(xiàn)在激光工作物質(zhì)有晶體，氣體，玻璃，液體以及自由電子等之多也加速了激光的發(fā)展。而激光打標(biāo)技術(shù)是上世紀(jì)90年代興起的一門工業(yè)加工技術(shù)，它利用高能量密度激光在各種不同的物質(zhì)表面產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)或表層物質(zhì)蒸發(fā)，而在物質(zhì)表面留下永久性標(biāo)志。在實(shí)際生產(chǎn)中要想使激光打標(biāo)機(jī)更好地應(yīng)用，還要有良好的軟件控制系統(tǒng)。目前，在我國激光器的外圍輔助控制系統(tǒng)的發(fā)展與國外還差很遠(yuǎn)。我國的軟件和外圍輔助控制系統(tǒng)大多數(shù)都是從外國進(jìn)口。由于我們無法掌握核心技術(shù)，不能根據(jù)國民需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的產(chǎn)品，這使我們不能在產(chǎn)品上真正獨(dú)立，還需要依靠國外。所以我們要設(shè)計(jì)出擁有自己特色的激光打標(biāo)機(jī)運(yùn)動控制卡軟件。

1.2 激光打標(biāo)系統(tǒng)的一般組成。激光打標(biāo)機(jī)一般由激光器，導(dǎo)光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，電源，冷卻系統(tǒng)這幾部分組成。激光打標(biāo)機(jī)的激光器主要有射頻激勵(lì)CO激光器，YAG激光器，準(zhǔn)分子激光器，TEACO激光器幾種。

1.3 嵌入式系統(tǒng)的簡介與原理。嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨(dú)立功能，通過開發(fā)應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種自動化處理任務(wù)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由微電子芯片和嵌入在ROM，RAM和FLASH存儲器中的微型操作系統(tǒng)構(gòu)成。主要用于實(shí)時(shí)控制，數(shù)據(jù)處理，完成各種自動化處理和輔助其他設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)方面。

嵌入式系統(tǒng)的主要原理就是替換原有PC控制方式，通過一個(gè)帶小型微處理器的嵌入式控制系統(tǒng)來控制達(dá)標(biāo)機(jī)。因?yàn)槊看沃貜?fù)完成相同圖案的標(biāo)刻，所以不需要配有顯示裝置。要更換標(biāo)刻圖案時(shí)，只需讓上位PC機(jī)通過通訊接口將待標(biāo)刻的圖形文件及一些控制參數(shù)傳到下位微處理器，然后下位機(jī)根據(jù)下傳過來的圖形文件和控制參數(shù)對打標(biāo)機(jī)進(jìn)行控制。

1.4 目前激光打標(biāo)的幾種控制方案。主要有單片機(jī)控制的激光打標(biāo)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)與單片機(jī)相結(jié)合控制的激光達(dá)標(biāo)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制的激光打標(biāo)系統(tǒng)、工控機(jī)和DSP相結(jié)合的激光打標(biāo)系統(tǒng)。

2 軟件設(shè)計(jì)原理

2.1 插補(bǔ)算法

2.1.1 插補(bǔ)原理。激光打標(biāo)系統(tǒng)的插補(bǔ)是依照一定方法確定激光運(yùn)動軌跡的過程。激光頭由2個(gè)電機(jī)分別控制Z軸和Y軸的運(yùn)動，插補(bǔ)時(shí)DSP根據(jù)輸入的基本數(shù)據(jù)，通過計(jì)算把矢量圖的形狀描繪出來，邊計(jì)算邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各電機(jī)發(fā)出進(jìn)給脈沖，對應(yīng)每個(gè)脈沖，激光在相應(yīng)的坐標(biāo)方向上移動一個(gè)脈沖距離，從而打出所設(shè)定的圖形。

2.1.2 目前比較流行的幾種插補(bǔ)算法。（1）逐點(diǎn)比較法。每次僅向一個(gè)坐標(biāo)軸輸出一個(gè)進(jìn)給脈沖，而每一步都要通過偏差函數(shù)計(jì)算，判斷偏差函數(shù)的瞬時(shí)坐標(biāo)同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進(jìn)給方向。每個(gè)差補(bǔ)循環(huán)由偏差判斷、進(jìn)給、偏差函數(shù)計(jì)算和終點(diǎn)判別組成逐點(diǎn)比較法可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)和其他曲線插補(bǔ)；（2）數(shù)字積分法。它是脈沖增量插補(bǔ)的一種，它用數(shù)字積分的方法計(jì)算刀具沿各坐標(biāo)軸的移動量，從而使刀具沿著設(shè)定的曲線運(yùn)動。我們可用數(shù)字積分器，數(shù)字微分器等裝置來實(shí)現(xiàn)數(shù)字積分插補(bǔ)計(jì)算；（3）時(shí)間分割法。其屬于數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，分為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)。在實(shí)際中，上位機(jī)對獲得的圖形進(jìn)行粗插補(bǔ)，上位機(jī)將采樣發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)對采用的微小直線段進(jìn)行精插補(bǔ)。一般先根據(jù)加工指令中的進(jìn)給速度F，計(jì)算出一個(gè)插補(bǔ)周期的輪廓步長L，及以插補(bǔ)周期為時(shí)間單位，將加工過程分割成許多個(gè)時(shí)間單位內(nèi)的進(jìn)給過程，以插補(bǔ)周期為時(shí)間單位，則時(shí)間單位內(nèi)移動的路程就是速度，因此輪廓步長L與速度F相等。在進(jìn)給過程中，對實(shí)際位置進(jìn)行采樣，與插補(bǔ)計(jì)算的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，得出位置誤差，位置誤差將在下一個(gè)采樣周期內(nèi)修正，采樣周期可以等于插補(bǔ)周期也可以小于插補(bǔ)周期。

2.1.3 直線插補(bǔ)。在對直線插補(bǔ)前要進(jìn)行判斷，如果直線屬于直線段與Z軸平行、直線段與坐標(biāo)軸夾角為45度或直線段與Y軸平行這3種情況之一，就直接執(zhí)行相應(yīng)算法。否則就要每插補(bǔ)完一個(gè)點(diǎn)后都要算出當(dāng)前點(diǎn)與起始點(diǎn)構(gòu)成的直線段的斜率。插補(bǔ)算法在對我們用圖形軟件設(shè)計(jì)出的各種形狀規(guī)則和非規(guī)則的矢量圖，都可以用直線進(jìn)行插補(bǔ)。因?yàn)槿绻麑⑷我馐噶繄D形放大到足夠大，它都是由很多微觀首尾相連的直線組成的，所以對圖形的插補(bǔ)就轉(zhuǎn)換成了對這些直線的插補(bǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)的傳輸與處理

2.2.1 DSP對數(shù)據(jù)的處理。當(dāng)NCPLD-INT向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPLD里收到PC104傳來的數(shù)據(jù)后就會以外部中斷信號，表示有數(shù)據(jù)傳給DSP?？删幊炭诘牡?個(gè)管腳設(shè)置成外部中斷模式，用來接受CPLD發(fā)來的中斷信號。XSP從CPLD接收的數(shù)據(jù)包含的信息有：全局參數(shù)，標(biāo)刻參數(shù)，紅光點(diǎn)數(shù)據(jù)，不差校正參數(shù)等。DSP接受到這些數(shù)據(jù)后，首先會對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。如果教驗(yàn)正確，DSP將對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理包括插補(bǔ)、校正、紅光等，然后處理后的點(diǎn)的坐標(biāo)從2個(gè)SPORT口輸出，分別經(jīng)過1個(gè)DA轉(zhuǎn)換器與2個(gè)DA轉(zhuǎn)換芯片之間的通信，最后信號控制電機(jī)。如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，則會告知CPLD參數(shù)發(fā)送不成功。

2.2.2 HPI主機(jī)接口的數(shù)據(jù)傳輸。要通過HPI訪問DSP的內(nèi)部存儲空間，必須要有HPI的寄存器。在HPI接口處的15個(gè)寄存器中，有9個(gè)是專用于DMA方式的。只有配置主機(jī)接口配置寄存器和主機(jī)接口直接訪問頁寄存器，才可以進(jìn)行直接訪問。而外部主機(jī)或者DSP自己可以通過配置這2個(gè)寄存器，來訪問主機(jī)接口。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

由于嵌入式模塊具有體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，很適合在較小的或惡劣的環(huán)境操作。在應(yīng)用中，通常不能使用磁介質(zhì)來運(yùn)行應(yīng)用程序和引導(dǎo)操作系統(tǒng)，應(yīng)該使用半導(dǎo)體存儲器代替軟盤或磁盤驅(qū)動器來運(yùn)行系統(tǒng)。在用固定盤啟動系統(tǒng)前，首先要在固定盤中安裝操作系統(tǒng)，用戶可根據(jù)需要安裝DOS或LINUX操作系統(tǒng)。固態(tài)盤的使用為用戶的使用帶來了極大的方便，用戶在實(shí)際應(yīng)用中，只需在STDUP設(shè)置環(huán)境中將系統(tǒng)啟動盤定為固態(tài)盤，系統(tǒng)啟動后便進(jìn)入與普通PC機(jī)相同的DOS環(huán)境，用戶只需將編譯好的可執(zhí)行文件傳從到固定盤中即可。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過研究嵌入式激光打標(biāo)機(jī)運(yùn)動控制卡軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解了其與傳統(tǒng)激光打標(biāo)機(jī)的不同，具體有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可以避免由于PC機(jī)中ISA總線插槽被淘汰而導(dǎo)致的供貨短缺問題。隨著市面上PC機(jī)的不斷跟新還代，有的PC機(jī)已不配ISA插槽，而PC/104已經(jīng)成為嵌入式領(lǐng)域的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不管哪家公司的PC/104模板，管腳都是兼容的；（2）嵌入式設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)接結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，降低產(chǎn)品成本。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)可以根據(jù)用戶的需求，采用安裝相應(yīng)的軟件和操作系統(tǒng)；（3）便于產(chǎn)品跟新還代。如果采用其他設(shè)計(jì)則在設(shè)計(jì)CPU的外圍電路時(shí)，將會花費(fèi)很多時(shí)間，增加了產(chǎn)品的開發(fā)周期。且由于芯片的設(shè)計(jì)若要升級換代，必須重新設(shè)計(jì)。

此外，通過DSP的高運(yùn)算速度和強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力，對定時(shí)和中斷服務(wù)程序及插補(bǔ)校正算法的不斷優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了令人滿意的打標(biāo)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮濤，王程.可編程邏輯器件開發(fā)技術(shù)——MAX+ PLUSII PLUSII入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[2]辛建國，魏光輝.射頻橫向激勵(lì)擴(kuò)散冷卻C02激光器技術(shù)的進(jìn)展與前景[J].中國激光，1994（04）：25-27.

[3]武毅.新一代嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997：88-90.

[4]呂京建，肖海橋.面向二十一世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)綜述[J].電子質(zhì)量，2001：10-13.

作者單位：達(dá)州市中心血站，四川達(dá)州 635000；達(dá)州市衛(wèi)生局，四川達(dá)州 635000