基于DSP的振镜扫描式激光标记技术设计分析

2011-04-06 11:20:38来源: 互联网

0 引言

    振镜扫描式激光标记技术就是通过控制两片高速振镜的偏转角, 改变激光的传播方向, 经过F-Theata透镜在工件表面的聚焦, 在工件表面作标记。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。高速高精度的振镜标记已成为当今标记行业的发展方向。

传统的振镜标记控制系统通过PC 机的串口、并口ISA 总线与单片控制板相连,这种方式接口简单、连接方便, 开发费用低, 但由于传输速度低, 已不能满足现代数控系统的实时性要求。本文在激光标记控制技术方面进行了一些新的探索:利用PCI的高速数据传输和DSP高速数据处理能力,提出一种“PC机+PCI总线+DSP控制板卡”的方式,用于振镜标记控制系统,从而实现对标记控制的精确控制,提高控制效率,保障系统实时性。DSP控制板卡是整个系统的核心,它直接决定着系统的扫描速度和扫描精度,本文将着重介绍该控制板卡的设计。

1 DSP芯片

DSP控制板卡的主芯片选用德州仪器公司C6000系列的高速数据处理芯片数字信号处理器 href="http://www.21ic.com/ex/t.php?cid=1&xh=TMS320C6205" target=_blank>TMS320C6205。该芯片为高性能的定点处理器,主频可达200MHz,每个周期能执行8条32-bit的指令,处理速度可达1600MIPS;采用高性能的VLIW结构的TMS320C62xTM DSP核,有8个独立的功能单元,32个32位的通用寄存器;提供64K字节的内部程序RAM和64K字节的内部数据RAM;提供32位的外部存储器无缝接口,包括同步器件(如SDRAM、SBSRAM等)、异步器件(如FLASH、SRAM等)和可寻址52M字节的外部存储空间;提供灵活的PLL、时钟产生器,可配置倍频值;提供符合PCI 2.2规范的PCI总线接口,直接实现芯片和PCI总线的桥接功能;提供两个32位的定时器;提供在线调试的JTAG边界扫描接口。采用此芯片,能够实现高速的数据处理,保证系统工作的实时性,且由于带了PCI桥接功能,提供了和PCI总线的接口,经济可靠。

硬件设计

2.1 结构框图

如图1所示为系统的硬件结构框图。DSP控制板卡通过PCI总线与PC机连接,实现高速通信。DSP处理模块为主控制模块,使用主频为200MHz的 TMS320C6205芯片作为主控制芯片。DSP处理模块充分利用了C6000系列DSP的快速计算能力和高精度定时器,能够保证振镜标记机进行匀速、高速标记,这些由PC机是没有办法做到的。DSP的外围电路包括存储模块、复位控制、电源控制、时钟系统、JTAG端口、数模转换模块、CPLD逻辑控制模块和光电隔离模块等。其中存储模块包括FLASH模块和SDRAM模块,FLASH用来存储系统启动代码和软件代码,SDRAM用于提供软件运行时所需的额外存储空间。DSP控制板卡输出两路模拟量控制两块振镜的运动,输出Q开关控制信号以控制激光器的开关光,输入/输出16路光电隔离信号用于功能扩展。

 

2.2 PC机与DSP的通信

 PCI 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看,PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线,具体由一个桥接电路实现对这一层的管理,并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲,使之能支持10种外设,并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术,允许智能设备在需要时取得总线控制权,以加速数据传送。PCI总线相比起ISA总线,有传输速度快,传输量大的优点。

 本系统选用TMS320C6205,该芯片自带了符合PCI2.2规范的PCI总线桥接功能,开发者免去了PCI协议的硬件和软件实现,给系统设计带来了便利,缩短了开发周期,也节省了开发费用。开发者只需将PCI插槽上的总线信号和DSP芯片上相关的PCI总线信号直接相连即可。带“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC机的PCI卡槽中使用,实现PC机与DSP之间的通信。PCI设备可以访问所有的内部RAM空间、外设和外部存储器空间。

DSP控制板卡使用的PCI总线宽度为32为(3.3V),总线频率为33MHz,传输速率为33×32/4MB/s = 132MB/s 。此传输速率为整个系统能实现高速运行提供了保障。

2.3 CPLD逻辑控制

整个高速系统的逻辑控制是通过高速CPLD芯片来实现的。选用ALTERA公司的MAX7128E芯片实现,可用编程逻辑门为2500,宏单元数128,逻辑阵列块数8,用户可定义I/O脚100个,pin-to-pin延时为5ns。MAX7000系列器件可以通过编程器进行编程,也可以在线编程。本设计采用了在线编程(ISP)。ISP允许在设计开发过程中迅速方便地重复编程,简化了制作过程,允许器件在编程之前就先装配到印制板上。

系统设计中LED信号灯、FLASH、DA芯片、16路I/O光电隔离接口、模拟开关、Q开关、PWM输出、软件复位控制都使用了CE1空间的地址,为了防止这些器件的互相干扰,必须对输入地址进行译码。通过判断输入到CPLD的PA[2:6]和PA[16:21]可以知道DSP正在访问的地址区域,进行CE1空间的地址译码,从而产生相应的控制信号,以实现逻辑控制和时序控制。

CPLD上构建的寄存器的高地址都是一样的,命名为dsp_reg_addr,由Pa16~21构成,若Pa16~21设置为"111000"即表示地址0x0178xxxx。

低地址由Pa2~6构成,对10个寄存器寻址,地址对应关系见表1所示。

表 1地址分配表

 

2.4 数模转换模块

数模转换模块将DSP处理完的数字信号转换为模拟信号以控制两路振镜的偏转。由于现在对标记精度的要求越来越高,传统的8位数模转换器已无法满足用户的需求,因此本系统选用ADI公司的16位高精度数模转换器AD669芯片,如图2所示。AD669为16位并行输入,二级数据缓存结构。设计中将/L1信号直接接地设置为有效,通过控制/CS和LDAC信号分别控制一级缓存和二级缓存。控制振镜信号的电压范围为-10V~+10V,以标记100mm×100mm幅面大小的标牌为例,精度可达100mm/216=0.0015mm,对应最小输出电压为0.00031V。
 


经实验发现,在上电时,AD669芯片的输出为一不可控量,会使振镜在上电瞬间有一个偏转,倘若偏转幅度过大,长期使用会导致振镜的断裂。为了保护振镜,可设计一个模拟开关电路以控制AD669芯片上电时的输出,使其为0V。笔者将模拟开关放在AD669芯片的参考电压输入端,通过CPLD实现对模拟开关的控制,来控制参考电压的有无,从而保证在上电时振镜不偏转。

PCB设计

该控制板卡选用主频200MHz的高速DSP处理芯片,高速信号系统中,存在EMC问题,将影响系统的性能。为了设计出一块稳定,抗干扰性能好的控制板卡,采取了以下措施

1、板层的合理安排

该控制板卡为六层板,板层设计为(从顶层到底层依次)信号层-地层-电源层-信号层-地层-信号层。这样的板层结构安排,使每一个信号层和电源层都紧邻一个地层,给信号提供一个较短的回流路径。

2、时钟信号线的处理

PCI时钟信号的一半要靠反射波来提升,因此,时钟信号CLK走线长度近似为2500 mil,走蛇形线实现(此点在PCI2.2规范的走线要求中有明确规定)。对于DSP芯片,晶振电路尽量靠近DSP芯片,且时钟信号尽量短。

3、SDRAM相关信号线的处理

SDRAM工作频率为100MHz,在高频下,信号的传输时间和信号的走线长度有直接的关系,已不能忽略此问题。因此SDRAM的数据线和地址线要等长走线,以保证信号传输的质量。另外,串扰和振铃问题在高频下也极易出现,对SDRAM和DSP接口的控制信号和数据、地址总线信号,在源端串接匹配电阻以提高信号传输质量,保证SDRAM在高频下能正常工作。

4、数模电路的隔离处理

控制板卡上有数字电路和模拟电路,在布局时,必须考虑数模电路的隔离问题,尽量将数字电路和模拟电路分块布局,避免数字信号走线跨越模拟电路区域,以防止两块电路间的相互干扰。另外数字电路和模拟电路通过0欧电阻一点共地。

5、电容的使用

在每个数字芯片的电源引脚旁边放置一个1.01uF的去耦电容。

4 总结

本系统将高速PCI总线与C6000高速DSP处理器相结合,配以高精度的数模转换模块,实现了一套高速高精度的控制系统,并将其成功的运用到振镜激光标记系统。该系统充分利用了DSP的高速处理能力和内部的高精度定时器,分担了PC机的实时性任务,从而实现了PC机与DSP控制板卡的优势互补,实现了实时性标记,保证了标记质量的均匀性。本文还给出了DSP控制板卡在PCB设计阶段的注意点,该板卡已在生产实际中投入使用,具有较好的稳定性和抗干扰性。

关键字:扫描

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0406/article_5317.html
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