基于TMS320F2812 DSP的激光打標控制器設計

隨著(zhù)激光打標機應用范圍的不斷擴大，對激光打標的速度和精度要求也越來(lái)越高。TI(德州儀器)公司的TMS320F2812DSP，是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制應用而設計的高速處理器，應用其來(lái)開(kāi)發(fā)激光打標控制器具有實(shí)際意義，文中設計的激光打標控制器應用前景廣闊。

1 控制器的工作原理

振鏡式激光打標控制器上位機是安裝了打標軟件的計算機，文字和圖形通過(guò)圖像處理成大量的打標數據，并在打標軟件界面上顯示出效果圖。打標數據由USB總線(xiàn)傳輸到擴展存儲器RAM上，再由DSP按順序取出送入到D／A轉換芯片中，D／A芯片轉換后輸出-5～5 V的模擬電壓驅動(dòng)掃描振鏡和控制激光電源的功率，并由一路GPIO(通用輸入／輸出)引腳控制激光能量的開(kāi)關(guān)，x、y軸振鏡控制激光焦點(diǎn)在二維平面上有序移動(dòng)來(lái)完成各種形式的文字、圖形打標。

2 振鏡式激光打標控制器的硬件電路設計

系統的原理框圖如圖1所示。振鏡式激光打標控制器主要有USB通訊電路、擴展存儲器電路、D／A轉換電路和CPLD電路。

2．1 USB通訊接口

USB通訊模塊采用Cypress公司的CY7C68013，USB與DSP的連接方法有FIFO和GPIF兩種，在本系統中采用了FIFO方式，讀寫(xiě)信號由CPLD和DSP提供。USB芯片的SLOE連接到DSP的外部中斷，其他控制信號由DSP通過(guò)CPLD譯碼后與USB芯片連接，DSP的數據線(xiàn)和兩路地址線(xiàn)直接與USB相連。

2．2 高速D／A轉換電路

數模轉換部分為控制器的關(guān)鍵部分。本系統中需要三路D／A，分別控制振鏡x軸和振鏡y軸以及激光功率。對于本系統AD7836的主要技術(shù)參數都符合要求：

(1)單片4路14位D／A轉換；(2)電壓輸出，最大電壓輸出范圍是±10 V；(3)輸出電壓的建立時(shí)間典型值為16 μs。

D／A電壓分辨率為：5 V／213=O．61 mV。雙極性和單極性電壓輸出相比電路省去了改變電壓極性的運算放大器，使電路得到簡(jiǎn)化。

Ad7836支持與16位以上微處理器和DSP的接口，包括14位數據線(xiàn)，3位地址線(xiàn)A0、A1、A2，控制信號CS、CLR、WR、SEL。CS處于低電平是AD7836被選中；只有CLR處于高電平時(shí)D／A轉換器內部數據寄存器值才能控制模擬電壓輸出值；WR為低電平有效，可以聯(lián)合CS使數據寫(xiě)入輸入緩存器內。SEL為高電平時(shí)用戶(hù)設定的寄存器E值輸出到VOUT，故可接地。當系統工作時(shí)，由于采用外部接口XINTF，對D／A芯片的操作和從SRAM中讀寫(xiě)數據一樣，控制D／A芯片的外部接口2區的起始地址是0X08 0000?？梢栽诔绦蛑须S時(shí)改變相應值來(lái)控制D／A轉換的電壓值，進(jìn)而控制打標點(diǎn)的位置。如要打標圖片，則可以按逐行掃描的方式輸出各打標點(diǎn)的位置和激光能量。

DSP與AD7836的引腳連接如圖2所示。

由于使用的振鏡的驅動(dòng)電壓范圍也是±5 V，在本系統中各通道的參考電壓VREF(+)和VREF(-)分別接±2．5 V。精確±2．5 V參照電壓在硬件電路設計中采用Microehip公司的專(zhuān)用2．5 V電壓基準源MCPl525和OP運算放大器MCP606。如圖3所示，+2．5 V的電壓基準由MCPl525產(chǎn)生后，為了降低噪音，采用了RC低通濾波和MCP606，在這里MCP606作為電壓跟隨器使用。如圖4所示，-2．5 V電壓則由+2．5 V通過(guò)兩個(gè)等值電阻和MCP606構成的分壓器產(chǎn)生。

AD7836和DSP的引腳電壓不同，故不能直接相連，系統中選用了SN74ALVCl64245芯片來(lái)隔離兩邊的數據總線(xiàn)。其輸出使能控制引腳OE1和OE2均接低電平，數據線(xiàn)的方向DIR1和DIR2都接高電平，保證芯片輸出端隨輸入端即時(shí)變化。

2．3 擴展數據存儲器

存儲器用來(lái)暫存從上位機傳來(lái)的打標數據，外部擴展存儲器采用IS61LV51216，為512 kB，16位的SRAM存儲器，共有19位地址總線(xiàn)，16位數據總線(xiàn)。本系統中SARAM存取時(shí)間為10 ns，CMOS工藝，3．3 V供電，輸入輸出為T(mén)TL兼容，適合作為DSP的外部擴展存儲器。存儲器通過(guò)DSP的外部接口XINTF擴展，采用F2812的／XZCS6AND7引腳作為片選，因此對應于存儲器映射的外部接口6區，地址范圍為0X10 0000～0X17FFFF。

2．4 CPLD系統

本系統中CPLD采用Altera公司的MAX3000A系列的EPM3256A芯片，CPLD的固件用軟件MAX+plusII設計。CPLD主要用來(lái)控制USB芯片的數據傳輸，并由其擴展出中斷按鍵和液晶顯示模塊。另外DSP系統預留了多路GPIO接口，可以控制步進(jìn)電機組成的多維運動(dòng)控制平臺。通過(guò)預留GPIO口并使用CPLD芯片，使系統的可擴展性增強。

3 控制器系統軟件開(kāi)發(fā)

控制系統的軟件由兩部分組成，上位機采用可視化面向對象語(yǔ)言VB 6．O設計，主要負責打標數據的產(chǎn)生和打包傳輸，以及用戶(hù)界面實(shí)現人機交互；下位機DSP由C／C++編寫(xiě)系統程序，用TI公司提供的高效的C編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：代碼工作室(CCS)來(lái)開(kāi)發(fā)?？刂葡到y的主要流程圖如圖5所示。

打標機開(kāi)機后下位機程序根據用戶(hù)界面上參數對各芯片和存儲器的初始化，參數包括激光能量、掃描次數、文字填充方式等。然后等待上位機由USB接口傳送打標數據，打標數據先保存在數據存儲器。這時(shí)無(wú)論從用戶(hù)界面還是鍵盤(pán)上發(fā)出開(kāi)始打標指令后，DSP從數據存儲器中取出打標數據，送入D／A芯片中。D／A芯片輸出相應的電壓驅動(dòng)振鏡，直到完成本次打標。相同的打標圖形只需傳輸一次數據，從軟件或鍵盤(pán)上選擇開(kāi)始加工按鈕即可。

在進(jìn)行圖形打標時(shí)，導入圖形文件并作圖像處理后，轉化成打標位置數據；文字打標時(shí)在VisualBasic中調用Windows API函數GetGly-phOutline得到文字的外形輪廓，可以進(jìn)行放縮、旋轉等操作而不影響文字顯示質(zhì)量，并通過(guò)DrawGlyph函數將其顯示效果在用戶(hù)界面上顯示。圖6是軟件用戶(hù)界面漢字的顯示效果。

4 結束語(yǔ)

文中介紹了一種基于TMS320F2812DSP的激光打標控制器，采用了一個(gè)4路輸出的D／A轉換器來(lái)控制振鏡和激光電源，高性能D／A轉換模塊使激光打標的速度和精度有較大提高，使用USB接口使打標控制器可以即插即用，且提升了數據傳輸的穩定性。系統上位機用Visual Basic編程，下位機用C語(yǔ)言編程，程序移植容易。開(kāi)發(fā)出的打標系統在速度、精度上均達到了理想的效果。文中描述了軟硬件系統，對振鏡式激光打標控制器的設計有普遍的參考價(jià)值。