基于DSP和FPGA的激光數(shù)控加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康凱

基于DSP和FPGA的激光數(shù)控加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

康凱

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所 河南洛陽 471000）

本文設(shè)計(jì)了以DSP、FPGA和單片機(jī)為核心的數(shù)控系統(tǒng)。通過對(duì)以DSP和FPGA為核心的加工控制部分的軟、硬件進(jìn)行優(yōu)化，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)并取得了令人滿意的加工效果，采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為加工數(shù)據(jù)的執(zhí)行器件，較好的解決了MCU或DSP系統(tǒng)處理的帶寬限制，用戶系統(tǒng)軟件及運(yùn)動(dòng)控制軟件混雜性的問題。

DSP；FPGA；激光；數(shù)控加工

本系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP完成復(fù)雜的圖形分析計(jì)算，這樣既可以對(duì)復(fù)雜圖形做出全面的分析又不會(huì)喪失系統(tǒng)性能，還在FPGA內(nèi)部采用了雙存儲(chǔ)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(jì)

激光加工系統(tǒng)主要是以切割、雕刻等工藝完成對(duì)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(dòng)的同時(shí)，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(jì)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)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，加工數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號(hào)為標(biāo)志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后存入HK9F1G08U0A存儲(chǔ)器。在脫機(jī)加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲(chǔ)器重新讀出并進(jìn)行處理、計(jì)算，并將最終的加工數(shù)據(jù)輸入EP1C6T144C8內(nèi)部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號(hào)。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)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(hào)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(hào)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和激光器。

2 DSP的軟件設(shè)計(jì)

在待機(jī)階段，DSP將從計(jì)算機(jī)取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并合理分配加、減速區(qū)域。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(duì)于大尺寸或高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來說，電機(jī)的加、減速過程必不可少。在以往的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法的設(shè)計(jì)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(dòng)平臺(tái)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(dòng)慣量等因素，其運(yùn)行效果并不理想。在加、減速區(qū)的計(jì)算過程中，通過將速度和加速時(shí)間的關(guān)系與曲線進(jìn)行擬合來得到加速區(qū)速度，通過將速度和減速時(shí)間的關(guān)系與反形曲線進(jìn)行擬合得到減速區(qū)速度。加、減速區(qū)所使用的擬合曲線并不相同，減速區(qū)曲線斜率更大。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。使用曲線進(jìn)行擬合的優(yōu)點(diǎn)主要有，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(dòng)，避免了撞擊或丟步現(xiàn)象的發(fā)生。電機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段時(shí)，可以使用較大的加速度進(jìn)行速度提升。隨著速度的增加，電機(jī)的剩余功率將不斷減小，此時(shí)應(yīng)不斷減緩加速進(jìn)程。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。

3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

從DSP的角度看，F(xiàn)PGA加工模塊類似于一個(gè)存儲(chǔ)器，DSP只需將計(jì)算結(jié)果寫入此存儲(chǔ)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(chǔ)器組交替工作的技術(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)單元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費(fèi)多個(gè)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(jì)形式，將不同類別數(shù)據(jù)存放于獨(dú)立的存儲(chǔ)單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時(shí)將地址對(duì)齊就可以在一個(gè)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(shí)間最小化的同時(shí)簡化編程，也可以使整體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。市場上已有的同類FPGA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，這將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生停頓。采用了存儲(chǔ)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(shí)依然會(huì)造成加工停頓。當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)時(shí)，DSP可將計(jì)算結(jié)果寫入另一組存儲(chǔ)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(chǔ)器架構(gòu)可以保證加工不被間斷，見圖（FPGA加工程序流程圖）。在地址對(duì)齊的前提下更換存儲(chǔ)器組需要改變存儲(chǔ)器組選擇信號(hào)并將地址計(jì)數(shù)器清零。FPGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。

圖1 FPGA加工程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺(tái)，X、Y軸步進(jìn)電機(jī)采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動(dòng)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(dòng)經(jīng)減速后由齒形帶帶動(dòng)工作頭做直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周使工作頭移動(dòng)24mm。在實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)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(duì)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(duì)復(fù)雜圖形的處理能力得到了很大的提高。FPGA內(nèi)部雙存儲(chǔ)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)。

[1]張師偉，傅 星，楊恒宗，邱維寶，鄔 勇，胡小唐.基于DSP、FPGA和單片機(jī)的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007（6）.

[2]蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系統(tǒng)研究[M].華中科技大學(xué)，2006，11.

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2016-10-26

康凱（1980-），男，河南鄭州人，工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榍度胧杰浻布⒆詣?dòng)化控制系統(tǒng)。