DSP的高速激光標記控制系統設計

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。
2.3 CPLD邏輯控制
整個(gè)高速系統的邏輯控制是通過(guò)高速CPLD芯片來(lái)實(shí)現的。選用ALTERA公司的MAX7128E芯片實(shí)現，可用編程邏輯門(mén)為2500，宏單元數128，邏輯陣列塊數8，用戶(hù)可定義I/O腳100個(gè)，pin-to-pin延時(shí)為5ns。MAX7000系列器件可以通過(guò)編程器進(jìn)行編程，也可以在線(xiàn)編程。本設計采用了在線(xiàn)編程（ISP）。ISP允許在設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中迅速方便地重復編程，簡(jiǎn)化了制作過(guò)程，允許器件在編程之前就先裝配到印制板上。
系統設計中LED信號燈、FLASH、DA芯片、16路I/O光電隔離接口、模擬開(kāi)關(guān)、Q開(kāi)關(guān)、PWM輸出、軟件復位控制都使用了CE1空間的地址，為了防止這些器件的互相干擾，必須對輸入地址進(jìn)行譯碼。通過(guò)判斷輸入到CPLD的PA[2：6]和PA[16：21]可以知道DSP正在訪(fǎng)問(wèn)的地址區域，進(jìn)行CE1空間的地址譯碼，從而產(chǎn)生相應的控制信號，以實(shí)現邏輯控制和時(shí)序控制。
CPLD上構建的寄存器的高地址都是一樣的，命名為dsp_reg_addr，由Pa16~21構成，若Pa16~21設置為111000即表示地址0x0178xxxx。
低地址由Pa2~6構成，對10個(gè)寄存器尋址，地址對應關(guān)系見(jiàn)表1所示。
表 1地址分配表

2.4 數模轉換模塊
數模轉換模塊將DSP處理完的數字信號轉換為模擬信號以控制兩路振鏡的偏轉。由于現在對標記精度的要求越來(lái)越高，傳統的8位數模轉換器已無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，因此本系統選用ADI公司的16位高精度數模轉換器AD669芯片，如圖2所示。AD669為16位并行輸入，二級數據緩存結構。設計中將/L1信號直接接地設置為有效，通過(guò)控制/CS和LDAC信號分別控制一級緩存和二級緩存?？刂普耒R信號的電壓范圍為-10V～+10V，以標記100mm×100mm幅面大小的標牌為例，精度可達100mm/216=0.0015mm，對應最小輸出電壓為0.00031V。

經(jīng)實(shí)驗發(fā)現，在上電時(shí)，AD669芯片的輸出為一不可控量，會(huì )使振鏡在上電瞬間有一個(gè)偏轉，倘若偏轉幅度過(guò)大，長(cháng)期使用會(huì )導致振鏡的斷裂。為了保護振鏡，可設計一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)電路以控制AD669芯片上電時(shí)的輸出，使其為0V。筆者將模擬開(kāi)關(guān)放在A(yíng)D669芯片的參考電壓輸入端，通過(guò)CPLD實(shí)現對模擬開(kāi)關(guān)的控制，來(lái)控制參考電壓的有無(wú)，從而保證在上電時(shí)振鏡不偏轉。
3 PCB設計
該控制板卡選用主頻200MHz的高速DSP處理芯片，高速信號系統中，存在EMC問(wèn)題，將影響系統的性能。為了設計出一塊穩定，抗干擾性能好的控制板卡，采取了以下措施
1、板層的合理安排
該控制板卡為六層板，板層設計為（從頂層到底層依次）信號層-地層-電源層-信號層-地層-信號層。這樣的板層結構安排，使每一個(gè)信號層和電源層都緊鄰一個(gè)地層，給信號提供一個(gè)較短的回流路徑。
2、時(shí)鐘信號線(xiàn)的處理
PCI時(shí)鐘信號的一半要靠反射波來(lái)提升，因此，時(shí)鐘信號CLK走線(xiàn)長(cháng)度近似為2500 mil，走蛇形線(xiàn)實(shí)現（此點(diǎn)在PCI2.2規范的走線(xiàn)要求中有明確規定）。對于DSP芯片，晶振電路盡量靠近DSP芯片，且時(shí)鐘信號盡量短。
3、SDRAM相關(guān)信號線(xiàn)的處理
SDRAM工作頻率為100MHz，在高頻下，信號的傳輸時(shí)間和信號的走線(xiàn)長(cháng)度有直接的關(guān)系，已不能忽略此問(wèn)題。因此SDRAM的數據線(xiàn)和地址線(xiàn)要等長(cháng)走線(xiàn)，以保證信號傳輸的質(zhì)量。另外，串擾和振鈴問(wèn)題在高頻下也極易出現，對SDRAM和DSP接口的控制信號和數據、地址總線(xiàn)信號，在源端串接匹配電阻以提高信號傳輸質(zhì)量，保證SDRAM在高頻下能正常工作。
4、數模電路的隔離處理
控制板卡上有數字電路和模擬電路，在布局時(shí)，必須考慮數模電路的隔離問(wèn)題，盡量將數字電路和模擬電路分塊布局，避免數字信號走線(xiàn)跨越模擬電路區域，以防止兩塊電路間的相互干擾。另外數字電路和模擬電路通過(guò)0歐電阻一點(diǎn)共地。
5、電容的使用
在每個(gè)數字芯片的電源引腳旁邊放置一個(gè)1.01uF的去耦電容。
4 總結
本系統將高速PCI總線(xiàn)與C6000高速DSP處理器相結合，配以高精度的數模轉換模塊，實(shí)現了一套高速高精度的控制系統，并將其成功的運用到振鏡激光標記系統。該系統充分利用了DSP的高速處理能力和內部的高精度定時(shí)器，分擔了PC機的實(shí)時(shí)性任務(wù)，從而實(shí)現了PC機與DSP控制板卡的優(yōu)勢互補，實(shí)現了實(shí)時(shí)性標記，保證了標記質(zhì)量的均勻性。本文還給出了DSP控制板卡在PCB設計階段的注意點(diǎn)，該板卡已在生產(chǎn)實(shí)際中投入使用，具有較好的穩定性和抗干擾性。