基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计汪再兴精.docx

1、基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计汪再兴精610 引 言FPGA(Fieldprogrammable Gate Array即现场可编程 门阵列。它作为专用集成电路(ASIC领域中的一种半定制电路 而出现,既有门阵列器件的高度集成和通用性,又有可编程逻 辑器件的用户可编程的灵活性 1。基于FPGA的系统设计,采用 原理图和verilog相结合的设计方案,具有方案灵活可靠的特 点。激光振镜打标技术就是通过控制振镜的两片高速镜片的偏 转, 改变激光的传播方向, 经过凸透镜在工件表面的聚焦, 从 而在工件上打上标记的技术 2。与传统的标记技术相比, 它具 有适用面广(对不同材料、形状的加工表面均适

2、合, 工件无机 械变形, 无污染, 标记速度快, 重复性好, 自动化程度高等特 点, 在工业、国防、科研等许多领域具有广泛的用途。激光振 镜打标机主要由激光发生器及其控制振镜、振镜伺服电机、编 码器、聚焦凸透镜等组成 3(如图1。本文通过采用Altera的 Cyclone II系列的EP2C70F895C6N芯片为主控制芯片,实现了 对振镜打标记控制的系统。图1 激光振镜打标机组成1 顶层设计激光打标机是通过激光的强弱来控制所打标记的清晰度, 通过编码器来反馈振镜的当前位置,通过控制振镜的伺服电机 来控制振镜的角度 4,从而来控制激光的打标位置。编码器的 接口图如图2所示。图2 编码器接口Vc

3、c是为编码器提供+5V电压的电源线。 GND是与Vcc相对应的+5V电源线的地线。SIG A+、SIG A-、SIG B+、SIG B-是编码器的两组正交信 号线。SIG Z+、SIG Z-是编码器的一组零位信号线。PC机与主控制板通过DB9口相连接,由PC机做出测试软 件,设计出需要打标的图案,并通过处理将打标参数传递给主 控芯片。DB9的接口连接图如下图3所示:图3 DB9接口基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计汪再兴,朱永谦,王紫婷(兰州交通大学 甘肃,兰州摘 要:介绍一种基于FPGA设计的激光振镜打标系统,采用verilog语言对其进行描述,并通过串口与PC机相连接, 用EP2C70

4、F895C5N芯片控制激光打标机打标,最后制作出电路板并进行实验验证。关键词:FPGA;激光振镜;打标;verilogAbstract: A laser vibration mirror marking system based on the the design of FPGA is introduced. To describe it by using verilog language, to connect serial port with PC and to mark it via EP2C70F895C5N chip which controls laser marking mach

5、ine. Finally a circuit board is produced and an experimental is carried out to verify it.Keywords: FPGA; Laser vibration mirror; Marking; verilog中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1001-9227(2012-06-0061-03收稿日期:2012-作者简介:汪再兴,博士,副教授,研究专业:FPGA,工作 单位:兰州交通大学电子与信息工程学院兰州交通大学创业项目资助。622 模块设计图4为激光打标机控制板设计框图,从图中可以看到该控制 器

6、由差分电路模块、数模转换模块和主控模块3个子模块组成。图4 激光打标机控制板设计框图2.1 差分电路模块用于连接主控芯片与编码器,将编码器传回信号通过处理 后传回到主控芯片,然后对振镜当前位置进行。本设计中采用 AM26LS32做为差分芯片,连接图如下图5所示:图5 差分模块电路连接图2.2 数模转换模块数模转换模块的作用是将由主控芯片发出的控制数字信号 通过该模块转换为模拟信号,从而控制激光振镜的伺服电机驱 动振镜运动。其电路连接图如下图6所示:图6 数模转换模块电路连接图2.3 主控模块主控模块由主控芯片及其外围的时钟、复位、电源等部分 组成。它的主控制芯片从PC机通过DB9接口接收需打标

7、图形的 参数,然后经主控芯片处理后在控制达标过程完成打标。主控 制模块的状态转换图如下图7所示:图7 主控制模块的状态转换图当主控板接收到来自PC机的命令后,先分析命令类型,若 为开始打标命令,则接着接收传送而来的打标参数,运用矢量 法进行打标;在此过程中根据打标参数调整X、Y振镜的位置, 将位置参数与编码器传送来的反馈信号SIG A、SIG B相比较, 当确定X、Y的振镜位置是所需打标位置时,控制Laser的电平为高,从而使激光发生器产生激光,并进行打标。若为暂停打 标命令,则设置暂停打标标志,控制Laser的电平为低即停止 打标。若为终止打标命令,则设置终止打标标志,触发标记图 形结束线程

8、,即控制Laser的电平,调整X、Y振镜的位置与SIG Z相同。其软件流程如下图8所示:图8 主控芯片的软件流程图3 实验与验证将设计文件laser.sof下载到电路板上。PC机通过串口与(下转第65页65电源控制电路。所谓模块电源控制电路就是通过三极管的开关 特性来做一个开关电路,并用单片机IO口控制其通断从而达到 控制模块电源通断的效果。这样系统就可以在模块未用到的时 候关闭这部分电路从而达到降低功耗的作用。 4 软件设计MSP430单片机工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU的 状态组合以先进方式达到超低功耗的各种要求。MSP430单片机 的低功耗特性既可以保持工作状态,又可以根据要求

9、工作。系 统的这些低功耗特性是靠系统对中断的响应来实现的。MSP430单片机各个模块的运行都是独立的,定时器、输入/输出端口、 A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可以在主CPU休眠的状态下 独立运行。系统平时工作于LPM3模式,当需要主CPU工作时,任 何一个模块都可以通过中断唤醒CPU从而使系统以最低功耗运 行。例如当存在温度采用、流量检测、热能计算、flash读写、 M-BUS通信时,通过中断使系统进入正常工作模式(AM模式,在 操作完成后又可以通过RETI指令返回LPM3模式。这样设计在最大 程度上保证了热能表的功耗在一个较低的水平。为了减少中断服务程序的处理时间,避免干扰其他响应的 执

10、行,程序在中断中设置标志,待中断返回主程序后通过查询 的方式执行相应的操作,然后退出正常模式进入低功耗LPM3模 式。其主程序流程如图6所示。 各中断服务程序大致流程如图7所示。图6 主程序流程图5 结 束应用本设计方案制作的口径20mm超声波热量表在25、 50和80条件下测得流量点0.025m琤/h、0.25m琤/h、0.75m琤/h和2.5m琤/h的误差均在1.5%以内,满足国家CJ128-2007二 级表准确度要求 5。通过批量样机测试,本设计方案设计的热 量表性能稳定、精度高、量程宽、压损小,十分利于推广。图7 中断服务程序流程图参考文献1 ACAM. 时间数字转换器TDC-GP21

11、的超声波热量表应用EB/OL.OL.http:/www.acam.de: ACAM 2011.2 沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践M.北京:北京航空航天大学出版社,2008.7:5056.3 雷亚辉,王之海,王向红. 时间电压转换技术在超声流速计中的应用J.应用科技,2010(8:2325.4 德州仪器. TSS721A数据手册EB/OL.OL.cn:TI,1999.5 中华人民共和国建设部.CJ 128-2007中华人民共和国城镇建设热量表行业标准S.北京,中国准出版社,2008.控制板相连接,从PC机上启动测试程序。在界面上做出需 要打标的图形,单击打标按钮

12、,即可在打标纸上看到打标出来 的图形,如图9所示: 图9 在打标纸上打出的图形4 结束语本文中设计的激光打标机模块控制器用verilog语言进行 描述,在设计中运用了FSM(有限状态机 6,该状态及方案相对固定、可靠性高,控制核心为FPGA芯片,具有稳定、便于修 改和移植、可重用性高的特点。最后做出了电路板,并进行了 功能验证,达到了本设计的要求。参考文献1 王紫婷,吴 蓉.EDA技术与应用M.兰州大学出版社,2003.2 邓树森.我国激光加工产业及现状J.激光集锦.2001,11(3. 3 王 强.动态激光标记技术的研究D.华中科技大学.2008. 4 李瑾瑜,徐惠仁,顾培德;曹沛其,王又良,吴亚鸿.高精度伺服控制偏转振镜J.应用激光.1981,1:4852.5 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第二版M.北京航天航空出版社.2003.6 吴 蓉.Moore 型有限状态机的VHDL设计与资源利用研究J.兰州交通大学学报,2003,22(1:9093.(上接第62页