基于DSP的高速激光标记控制系统

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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。
2 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。
3 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。