基于DSP芯片TMS320F2812的振镜式激光打标控制器设计
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摘要：随着 激光打标 机应用范围的不断扩大，对 激光 打标的速度和精度要求也越来越高。TI(德州仪器)公司的TMS320F2812 DSP，是专门为工业控制应用而设计的高速处理器，应用其来开发激光打标控制器具有实际意义，文中设计的激光打标控制器应用前景广阔。 　 　1 控制器的工作原理 　　振镜式激光打标控制器上位机是安装了打标软件的计算机，文字和图形通过图像处理成大量的打标
关键字：DSP芯片,振镜式,激光打标控制器,设计
随着激光打标机应用范围的不断扩大，对激光打标的速度和精度要求也越来越高。TI(德州仪器)公司的TMS320F2812 DSP，是专门为工业控制应用而设计的高速处理器，应用其来开发激光打标控制器具有实际意义，文中设计的激光打标控制器应用前景广阔。
　　1 控制器的工作原理
　　振镜式激光打标控制器上位机是安装了打标软件的计算机，文字和图形通过图像处理成大量的打标数据，并在打标软件界面上显示出效果图。打标数据由USB总线传输到扩展存储器RAM上，再由DSP按顺序取出送入到D/A转换芯片中，D/A芯片转换后输出-5～5 V的模拟电压驱动扫描振镜和控制激光电源的功率，并由一路GPIO(通用输入/输出)引脚控制激光能量的开关，x、y轴振镜控制激光焦点在二维平面上有序移动来完成各种形式的文字、图形打标。
　　2 振镜式激光打标控制器的硬件电路设计
　　系统的原理框图如图1所示。振镜式激光打标控制器主要有USB通讯电路、扩展存储器电路、D/A转换电路和CPLD电路。
　　2.1 USB通讯接口
　　USB通讯模块采用Cypress公司的CY7C68013，USB与DSP的连接方法有FIFO和GPIF两种，在本系统中采用了FIFO方式，读写信号由CPLD和DSP提供。USB芯片的SLOE连接到DSP的外部中断，其他控制信号由DSP通过CPLD译码后与USB芯片连接，DSP的数据线和两路地址线直接与USB相连。　
　　2.2 高速D/A转换电路
　　数模转换部分为控制器的关键部分。本系统中需要三路D/A，分别控制振镜x轴和振镜y轴以及激光功率。对于本系统AD7836的主要技术参数都符合要求：
　　(1)单片4路14位D/A转换;(2)电压输出，最大电压输出范围是&10 V;(3)输出电压的建立时间典型值为16 &s。
　　D/A电压分辨率为：5 V/213=O.61 mV。双极性和单极性电压输出相比电路省去了改变电压极性的运算放大器，使电路得到简化。
　　Ad7836支持与16位以上微处理器和DSP的接口，包括14位数据线，3位地址线A0、A1、A2，控制信号CS、CLR、WR、SEL。CS处于低电平是AD7836被选中;只有CLR处于高电平时D/A转换器内部数据寄存器值才能控制模拟电压输出值;WR为低电平有效，可以联合CS使数据写入输入缓存器内。SEL为高电平时用户设定的寄存器E值输出到VOUT，故可接地。当系统工作时，由于采用外部接口XINTF，对D/A芯片的操作和从SRAM中读写数据一样，控制D/A芯片的外部接口2区的起始地址是0X08 0000。可以在程序中随时改变相应值来控制D/A转换的电压值，进而控制打标点的位置。如要打标图片，则可以按逐行扫描的方式输出各打标点的位置和激光能量。
DSP与AD7836的引脚连接如图2所示。
　　由于使用的振镜的驱动电压范围也是&5 V，在本系统中各通道的参考电压VREF(+)和VREF(-)分别接&2.5 V。精确&2.5 V参照电压在硬件电路设计中采用Microehip公司的专用2.5 V电压基准源MCPl525和OP运算放大器MCP606。如图3所示，+2.5 V的电压基准由MCPl525产生后，为了降低噪音，采用了RC低通滤波和MCP606，在这里MCP606作为电压跟随器使用。如图4所示，-2.5 V电压则由+2.5 V通过两个等值电阻和MCP606构成的分压器产生。
　　AD7836和DSP的引脚电压不同，故不能直接相连，系统中选用了SN74ALVCl64245芯片来隔离两边的数据总线。其输出使能控制引脚OE1和OE2均接低电平，数据线的方向DIR1和DIR2都接高电平，保证芯片输出端随输入端即时变化。
　　2.3 扩展数据存储器
　　存储器用来暂存从上位机传来的打标数据，外部扩展存储器采用IS61LV51216，为512 kB，16位的SRAM存储器，共有19位地址总线，16位数据总线。本系统中SARAM存取时间为10 ns，CMOS工艺，3.3 V供电，输入输出为TTL兼容，适合作为DSP的外部扩展存储器。存储器通过DSP的外部接口XINTF扩展，采用F2812的/XZCS6AND7引脚作为片选，因此对应于存储器映射的外部接口6区，地址范围为0X10 FFFF。
　　2.4 CPLD系统
　　本系统中CPLD采用Altera公司的MAX3000A系列的EPM3256A芯片，CPLD的固件用软件MAX+plusII设计。CPLD主要用来控制USB芯片的数据传输，并由其扩展出中断按键和液晶显示模块。另外DSP系统预留了多路GPIO接口，可以控制步进电机组成的多维运动控制平台。通过预留GPIO口并使用CPLD芯片，使系统的可扩展性增强。
　3 控制器系统软件开发
　　控制系统的软件由两部分组成，上位机采用可视化面向对象语言VB 6.O设计，主要负责打标数据的产生和打包传输，以及用户界面实现人机交互;下位机DSP由C/C++编写系统程序，用TI公司提供的高效的C编译器和集成开发环境：代码工作室(CCS)来开发。控制系统的主要流程图如图5所示。
图5 控制系统的主要流程图
　　打标机开机后下位机程序根据用户界面上参数对各芯片和存储器的初始化，参数包括激光能量、扫描次数、文字填充方式等。然后等待上位机由USB接口传送打标数据，打标数据先保存在数据存储器。这时无论从用户界面还是键盘上发出开始打标指令后，DSP从数据存储器中取出打标数据，送入D/A芯片中。D/A芯片输出相应的电压驱动振镜，直到完成本次打标。相同的打标图形只需传输一次数据，从软件或键盘上选择开始加工按钮即可。
　　在进行图形打标时，导入图形文件并作图像处理后，转化成打标位置数据;文字打标时在VisualBasic中调用Windows API函数GetGly-phOutline得到文字的外形轮廓，可以进行放缩、旋转等操作而不影响文字显示质量，并通过DrawGlyph函数将其显示效果在用户界面上显示。图6是软件用户界面汉字的显示效果。
　　4 结束语
　　文中介绍了一种基于TMS320F2812DSP的激光打标控制器，采用了一个4路输出的D/A转换器来控制振镜和激光电源，高性能D/A转换模块使激光打标的速度和精度有较大提高，使用USB接口使打标控制器可以即插即用，且提升了数据传输的稳定性。系统上位机用Visual Basic编程，下位机用C语言编程，程序移植容易。开发出的打标系统在速度、精度上均达到了理想的效果。文中描述了软硬件系统，对振镜式激光打标控制器的设计有普遍的参考价值。
【光粒网综合报道:】( 责任编辑：mengmeng )
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振镜式激光焊接机的系统
　　作为焊接领域相对成熟的设备，在我国各工业生产领域所取得成就有目共睹，随着科学技术的不断进步，这类焊接机设备也有很多新型的产品出现在市场上，比如振镜式激光焊接机，那么这类性能尖端的焊接机设备有哪些科学先进的系统。
　　据了解振镜式激光焊接机的系统主要由激光器系统、电源系统、振镜扫描系统、计算机控制系统及冷却系统组成，我们可以逐一分析。首先是激光器系统，它又是由泵浦氙灯、聚光腔和谐振腔以及激光工作物质组成，而电源系统，则具有过压、过流保护装置，设备的电源、脉宽和频率均在此系统中调节。
　　一般说来，电源系统包括主电源、触发电路、控制电路以及一些保护电路等，振镜式激光焊接机在正式运行的过程中可借助此系统设置输出波形。而计算机控制系统，顾名思义主要是一些配置优良性能的处理器，和一些抗干扰的工业主板。
　　值得一提的是这类振镜式设备的冷却系统，它是焊接机设备固体激光器中不可或缺的辅助装置，主要作用就是为了提高工业生产过程中，设备的光转换率，减少耗能。与另外一种新兴的光纤传导式激光焊接机相比，这类设备还具有精度高、焊速快以及焊接范围广的特点。
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报告编号：No.387343 最新修订：2012年08月
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　　激光打标机镜式激光扫描技术简介
　　自从20世纪60年代激光问世以来，激光技术得到了迅猛的发展。激光以其高亮度，方向性好以及单色性好等特点，在各种科研领域内得到了广泛的应用。随着科学技术的飞速发展，与激光结合的技术都得到了快速发展和促进。
　　激光扫描是随着激光打印以及激光照排等应用发展起来的。激光扫描主要分为光机扫描方式和声光扫描方式。振镜式激光扫描属于光机扫描方式，其激光束随着连接在振镜转轴上的反射镜的运动在扫描视场上扫描出预期的图形。
　　振镜式激光扫描系统主要由反射镜、扫描电动机以及伺服驱动单元组成。扫描电动机采用具有高动态响应性能的检流计式有限转角电动机，一般偏转角度在±20度以内。振镜X轴和Y轴扫描电动机的协调转动，带动连接在其转轴上的反射镜片反射激光束，实现整个工作面上的图形扫描。根据反射镜镜片的大小以及反射波长的不同，振镜式激光扫描系统可以应用于不同的系统。
　　电动机以及伺服驱动技术的不断发展，促进了振镜式激光扫描系统性能的不断提高，使其广泛应用于激光扫描的各个领域，如激光打标、激光扫描显示和激光快速成形等。
　　1.激光打标在激光加工领域，激光打标是应用最为广泛的激光加工方式之一。按照使用的激光器，激光打标机可分为C02激光打标机、YAG激光打标机、准分子激光打标机、半导体激光打标机和光纤激光打标机等类型，可根据材料以及打标要求，选择不同的激光器。打标系统中的扫描器多采用F-theta透镜聚焦方式的二维振镜式激光扫描系统，可以实现快速、精确的打标。在一些大幅面服装打标中，需使用动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统。
　　2.激光扫描显示激光扫描显示技术的发展是与激光器以及扫描器件的发展密切相关的。随着激光技术的发展，半导体激光器的出现克服了以往激光器体积大、效率低等缺点，极大地促进了激光扫描显示技术的发展。同时，振镜式激光扫描系统因其高速、高精的特点被越来越广泛地应用到激光显示系统中。例如，美国CTI公司生产的6210以及6800型号振镜激光扫描系统，采用数字信号处理DSP技术，在扫描角度为±8度时扫描频率可达80KHz，完全可以满足目前高质量激光显示系统的要求。
　　3.激光快速成形
　　在某些种类的快速成形技术中，振镜式激光扫描系统以快速、精确扫描的特点成为其核心部件.并在很大程度上决定了整个系统的性能，如选择性激光烧结成形、选择性激光熔化成形和激光尚化成形等.
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