0 引 言
由于激光具有優(yōu)異的單色性、相干性、方向性,同時具有很高的能量密度,因此廣泛應(yīng)用于材料加工。隨著物品打標(biāo)過程中對防偽、精度、環(huán)保等方面的需求日益提高,激光標(biāo)刻設(shè)備,特別是激光飛動標(biāo)刻設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛引。在此,主要介紹了激光標(biāo)刻控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計,著重分析了基于PCI的控制卡電路設(shè)計中的關(guān)鍵問題,同時介紹了標(biāo)刻軟件的主要功能。該控制系統(tǒng)具有4路16位D/A輸出、3路16位計數(shù)器、4路DI/DO、1路PWM激光功率控制輸出功能。系統(tǒng)在應(yīng)用中性能穩(wěn)定,功能完備,已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
1 激光標(biāo)刻控制卡設(shè)計
激光標(biāo)刻系統(tǒng)控制卡是整個控制系統(tǒng)的中樞,連接著控制軟件與執(zhí)行機構(gòu)??刂瓶ńY(jié)構(gòu)如圖1所示,包括基于PCI總線接口控
制電路、本地邏輯控制電路及功能電路等3部分組成。
PCI接口電路用于實現(xiàn)PCI總線邏輯到本地邏輯的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用PLX公司PCI總線控制芯片PCl9052作為接口芯片,采用E2PROOM配置芯片作為HT93LC46。由于接口芯片的豐富功能,簡化了接口設(shè)計,使工作集中在本地邏輯設(shè)計上,采用WDM驅(qū)動程序,實現(xiàn)計算機對設(shè)備的統(tǒng)一管理。本地邏輯控制電路采用IP核實現(xiàn)局部總線的譯碼及功能電路的邏輯控制,通過Altera公司的CPLD控制器EPM7064設(shè)計實現(xiàn),可在線編程擴展接口控制功能。功能電路包括D/A電路、I/O電路、PWM電路及計數(shù)器電路等組成部分;系統(tǒng)選用模擬器件公司D/A控制器件AD7847或AD5547作為關(guān)鍵器件,實現(xiàn)一5~+5 V及0~10 V模擬電壓輸出。
1.1 基于IP核的固定頻率PWM電路設(shè)計
在CO2激光標(biāo)刻設(shè)備中,控制卡通過PWM電路輸出脈寬頻率可調(diào)的控制信號對激光電源的放電時間進行控制,以實現(xiàn)對激光輸出功率的精確控制。設(shè)計中采用CPLD,使設(shè)計配置非常靈活,可根據(jù)整體需要設(shè)計相應(yīng)功能的IP軟核,節(jié)約板載資源。方案采用Al-tera公司的硬件編程語言AHDL設(shè)計;結(jié)合器件EPM7064SLC44-10實現(xiàn)PWM控制器?;贗P核的PWM控制電路,控制時鐘取自33 MHz的PCI總線時鐘,可有效利用接口資源。
IP軟核4 kHz的輸出頻率通過對33 MHz時鐘8 196分頻獲得。8位的控制精度可實現(xiàn)占空比0~1的256級調(diào)節(jié),其軟核的原型符號如圖2所示。其中,Load作為控制數(shù)據(jù)載入控制端,在該信號有效時,將8位控制數(shù)據(jù)IN[7..O]載入內(nèi)部控制寄存器。EN信號為輸出有效信號,用于控制PWM輸出,當(dāng)該信號有效時,輸出PWM。LCLKIN信號提供IP軟核的工作頻率,PWM輸出信號的基頻是由該信號分頻得出的。
軟核內(nèi)部控制語句如下,其中PWMDATA為PWM波輸出的控制邏輯,當(dāng)其輸出為高電平時,輸出進行翻轉(zhuǎn)。
END IF; END IF; 軟核的仿真波形及示波器輸出波形如圖3所示。
1.2 基于IP核的頻率可調(diào)PWM電路設(shè)計
頻率、脈寬可調(diào)的PWM發(fā)生電路中原形符號如圖4所示。其中,EN信號使能該器件;WR寫信號與PFD0,PFDl及PCD0,PCDl配合,實現(xiàn)頻率及脈寬控制字的寫入,控制位寬為12位,實現(xiàn)4 096級調(diào)節(jié)。LclkIn為全局時鐘信號,該信號來自8分頻后的33 MHz的PCI接口時鐘,因此IP核能實現(xiàn)1 kHz~4 MHz的頻率調(diào)節(jié)及0~100%內(nèi)最大4 096級的占空比調(diào)節(jié)。8位數(shù)據(jù)寬度的DATAIn接El用于控制數(shù)據(jù)的輸入。IP核功能實現(xiàn)的程序如下:
功能仿真波形如圖5所示。
采用IP核實現(xiàn)頻率可調(diào)的PWM發(fā)生電路時對邏輯器件內(nèi)部資源的消耗較大,相比之下,固定頻率的IP占用的邏輯資源較少,因此更適合用于為激光器頻率固定的應(yīng)用場合提供高精度的脈寬調(diào)制。
2 控制軟件介紹
針對板卡的調(diào)試及實際激光標(biāo)刻系統(tǒng)的應(yīng)用,分別開發(fā)了TestStar硬件板卡測試軟件及LaserStar激光標(biāo)刻軟件系統(tǒng)。
板卡功能測試軟件能完成對板卡所有功能的測試。
不僅提供通道選擇功能,用于D/A控制輸出的測試;而且提供DI輸入信號檢測,DO輸出信號測試;以及COUNTER計算器測試等功能。通過測試軟件的設(shè)計,提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率,同時可分開對各模塊的實際效能進行測試,及時發(fā)現(xiàn)各個模塊設(shè)計的不足,使系統(tǒng)在實際標(biāo)刻過程中更穩(wěn)定。
激光標(biāo)刻軟件系統(tǒng)可方便地編輯單線體文字、TTF文字、日期、時間、序列號;可自動進行圖形對齊、圓形排版功能;可以用鼠標(biāo)繪制圖形;可方便地導(dǎo)入PLT圖形文件,以及從BMP圖像提取圖形輪廓。它在不影響生產(chǎn)線正常運作的情況下,可實現(xiàn)流水生產(chǎn)線上產(chǎn)品的激光在線標(biāo)刻,從而大大提高生產(chǎn)效率。標(biāo)刻速度范圍達(dá)到O~60 m/min或1~20標(biāo)/s。
系統(tǒng)可方便地修改標(biāo)刻內(nèi)容,設(shè)置標(biāo)刻功率大小、速度快慢等控制參數(shù)。標(biāo)刻線條流暢,深淺自如。用戶還可設(shè)計特殊的防偽碼,因為采用了數(shù)據(jù)加密技術(shù),不同的用戶即使都擁有標(biāo)刻系統(tǒng),也不能標(biāo)刻完全一樣的內(nèi)容,使得系統(tǒng)具備良好的防偽標(biāo)刻功能。系統(tǒng)標(biāo)刻的實際標(biāo)刻效果如圖6所示。
3 總結(jié)與展望
基于計算機PCI總線設(shè)計激光標(biāo)刻控制系統(tǒng),提高了控制指令發(fā)送速度和控制精度。設(shè)計開發(fā)了Win-dows 2000/xP下的WDM驅(qū)動程序;提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;減少了硬件兼容性及誤操作造成的系統(tǒng)死機、藍(lán)屏等現(xiàn)象。采用CPLD器件將本地邏輯處理及控制數(shù)據(jù)的存儲等功能集于一身;采用Altera公司的硬件編程語言AHDL設(shè)計了IP軟核;結(jié)合器件EPM7064SLC44-10實現(xiàn)固定頻率及可變頻率的PWM信號精確輸出,減少了分離器件的使用,使系統(tǒng)模塊化程度大大提高,簡化了PCB布局布線,同時利于系統(tǒng)的升級和擴展。利用CPLD優(yōu)良的加密性能,將系統(tǒng)特征信息及加密邏輯存儲其中,與控制軟件配合實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件加密,確保系統(tǒng)的惟一性,可有效提高標(biāo)刻內(nèi)容的防偽能力。該控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
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