基于DSP的高速激光標記控制系統

0 引言

振鏡掃描式激光標記技術(shù)就是通過(guò)控制兩片高速振鏡的偏轉角, 改變激光的傳播方向, 經(jīng)過(guò)F-Theata透鏡在工件表面的聚焦, 在工件表面作標記。與傳統的標記技術(shù)相比, 它具有適用面廣(對不同材料、形狀的加工表面均適合) , 工件無(wú)機械變形, 無(wú)污染, 標記速度快, 重復性好, 自動(dòng)化程度高等特點(diǎn), 在工業(yè)、國防、科研等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途。高速高精度的振鏡標記已成為當今標記行業(yè)的發(fā)展方向。

傳統的振鏡標記控制系統通過(guò)PC 機的串口、并口ISA 總線(xiàn)與單片控制板相連，這種方式接口簡(jiǎn)單、連接方便, 開(kāi)發(fā)費用低, 但由于傳輸速度低, 已不能滿(mǎn)足現代數控系統的實(shí)時(shí)性要求。本文在激光標記控制技術(shù)方面進(jìn)行了一些新的探索：利用PCI的高速數據傳輸和DSP高速數據處理能力，提出一種“PC機+PCI總線(xiàn)+DSP控制板卡”的方式，用于振鏡標記控制系統，從而實(shí)現對標記控制的精確控制，提高控制效率，保障系統實(shí)時(shí)性。DSP控制板卡是整個(gè)系統的核心，它直接決定著(zhù)系統的掃描速度和掃描精度，本文將著(zhù)重介紹該控制板卡的設計。

1 DSP芯片

DSP控制板卡的主芯片選用德州儀器公司C6000系列的高速數據處理芯片TMS320C6205。該芯片為高性能的定點(diǎn)處理器，主頻可達200MHz，每個(gè)周期能執行8條32-bit的指令，處理速度可達1600MIPS；采用高性能的VLIW結構的TMS320C62xTM DSP核，有8個(gè)獨立的功能單元，32個(gè)32位的通用寄存器；提供64K字節的內部程序RAM和64K字節的內部數據RAM；提供32位的外部存儲器無(wú)縫接口，包括同步器件（如SDRAM、SBSRAM等）、異步器件（如FLASH、SRAM等）和可尋址52M字節的外部存儲空間；提供靈活的PLL、時(shí)鐘產(chǎn)生器，可配置倍頻值；提供符合PCI 2.2規范的PCI總線(xiàn)接口，直接實(shí)現芯片和PCI總線(xiàn)的橋接功能；提供兩個(gè)32位的定時(shí)器；提供在線(xiàn)調試的JTAG邊界掃描接口。采用此芯片，能夠實(shí)現高速的數據處理，保證系統工作的實(shí)時(shí)性，且由于帶了PCI橋接功能，提供了和PCI總線(xiàn)的接口，經(jīng)濟可靠。

2 硬件設計

2.1 結構框圖

如圖1所示為系統的硬件結構框圖。DSP控制板卡通過(guò)PCI總線(xiàn)與PC機連接，實(shí)現高速通信。DSP處理模塊為主控制模塊，使用主頻為200MHz的 TMS320C6205芯片作為主控制芯片。DSP處理模塊充分利用了C6000系列DSP的快速計算能力和高精度定時(shí)器，能夠保證振鏡標記機進(jìn)行勻速、高速標記，這些由PC機是沒(méi)有辦法做到的。DSP的外圍電路包括存儲模塊、復位控制、電源控制、時(shí)鐘系統、JTAG端口、數模轉換模塊、CPLD邏輯控制模塊和光電隔離模塊等。其中存儲模塊包括FLASH模塊和SDRAM模塊，FLASH用來(lái)存儲系統啟動(dòng)代碼和軟件代碼，SDRAM用于提供軟件運行時(shí)所需的額外存儲空間。DSP控制板卡輸出兩路模擬量控制兩塊振鏡的運動(dòng)，輸出Q開(kāi)關(guān)控制信號以控制激光器的開(kāi)關(guān)光，輸入/輸出16路光電隔離信號用于功能擴展。

2.2 PC機與DSP的通信

PCI 總線(xiàn)是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線(xiàn)。從結構上看，PCI是在CPU和原來(lái)的系統總線(xiàn)之間插入的一級總線(xiàn)，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現對這一層的管理，并實(shí)現上下之間的接口以協(xié)調數據的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線(xiàn)也支持總線(xiàn)主控技術(shù)，允許智能設備在需要時(shí)取得總線(xiàn)控制權，以加速數據傳送。PCI總線(xiàn)相比起ISA總線(xiàn)，有傳輸速度快，傳輸量大的優(yōu)點(diǎn)。

本系統選用TMS320C6205，該芯片自帶了符合PCI2.2規范的PCI總線(xiàn)橋接功能，開(kāi)發(fā)者免去了PCI協(xié)議的硬件和軟件實(shí)現，給系統設計帶來(lái)了便利，縮短了開(kāi)發(fā)周期，也節省了開(kāi)發(fā)費用。開(kāi)發(fā)者只需將PCI插槽上的總線(xiàn)信號和DSP芯片上相關(guān)的PCI總線(xiàn)信號直接相連即可。帶“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC機的PCI卡槽中使用，實(shí)現PC機與DSP之間的通信。PCI設備可以訪(fǎng)問(wèn)所有的內部RAM空間、外設和外部存儲器空間。

DSP控制板卡使用的PCI總線(xiàn)寬度為32為（3.3V），總線(xiàn)頻率為33MHz，傳輸速率為33×32/4MB/s = 132MB/s 。此傳輸速率為整個(gè)系統能實(shí)現高速運行提供了保障。