基于DSP和FPGA的大尺寸激光數控加工系統

激光切割和雕刻以其精度高、視覺(jué)效果好等特性，被廣泛運用于廣告業(yè)和航模制造業(yè)。在大尺寸激光加工系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問(wèn)題。解決速度問(wèn)題的一般方法是在電機每次運動(dòng)前、后設置加、減速區，但這會(huì )使加工數據總量成倍增加。除此之外，龐大的數據計算量也需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的高性能處理器來(lái)實(shí)現。

FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)在并行信號處理方面具有極大的優(yōu)勢。本系統采用FPGA作為加工數據的執行器件。這種解決方案突出的特點(diǎn)是讓運動(dòng)控制的處理部分以獨立的、硬件性方式展開(kāi)，增加系統的性能和可靠性，從而有效地解決了用單純的MCU或DSP系統處理的帶寬限制，以及用戶(hù)系統軟件和運動(dòng)控制軟件混雜性的問(wèn)題。

當今國內外市場(chǎng)上已經(jīng)陸續出現類(lèi)似的FPGA產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大多使用FPGA完成從原始數據處理到執行的全部工作。此種結構雖然可以簡(jiǎn)化FPGA外部的電路設計，但是由于FPGA做復雜數學(xué)計算的能力有限，不能對復雜圖形尤其是不規則圖形做出全面的分析，導致加工速度無(wú)法進(jìn)一步提升。除此之外，這些產(chǎn)品大多采用寫(xiě)入一條數據、執行一條數據的工作方式，造成了執行相鄰兩條數據間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復雜圖形時(shí)還會(huì )明顯地影響加工速度。

本系統使用數字信號處理器DSP完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復雜圖形做出全面的分析又不會(huì )喪失系統性能。除此之外，本系統還在FPGA內部采用了雙存儲器交替加工的結構，從根本上消除了相鄰數據間的加工停頓。

1 系統設計

激光加工系統主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統在控制工作頭做矢量運動(dòng)的同時(shí)，配合激光在被加工物體上切割出不同的線(xiàn)條；雕刻是指系統控制激光頭在一定區域內進(jìn)行往復掃描，以類(lèi)似打印機的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統采用由計算機獲得圖形并傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結構。

圖1為系統的結構示意圖。在數據傳輸階段，加工數據由計算機通過(guò)以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數據按協(xié)議解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存儲器。在脫機加工階段，DSP將數據從FLASH存儲器重新讀出并進(jìn)行處理、計算，并將最終的加工數據輸入FPGA（EP1C6T144C8）內部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統運轉的整個(gè)過(guò)程中，DSP還要通過(guò)建于FPGA內部的通訊模塊和單片機交換數據，獲取有關(guān)人機界面和諸如限位開(kāi)關(guān)、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態(tài)。

加工信號預處理電路主要由數模轉換器和光電隔離器組成。它負責將FPGA輸出的加工信號進(jìn)行處理后驅動(dòng)步進(jìn)電機和激光器。