鄧麒麟，吳云峰，孫文博

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

紫外光固化［1］，是指UV樹脂(UV涂料、油墨、粘合劑等)經(jīng)紫外光輻射后，在數(shù)秒內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程。紫外光固化技術(shù)一經(jīng)研制成功就得到了迅速普及與發(fā)展，成為目前最流行的固化技術(shù)，占據(jù)了整個(gè)輻射固化市場(chǎng)的95%［2］。

紫外LED照射器的作用是產(chǎn)生用于固化的紫外光，常用的固化波段集中在365 nm［3］附近?；邳c(diǎn)光源的紫外LED照射器，具有體積小、易于攜帶、操作便捷、固化效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的粘接、電子設(shè)備精密部件的固定與粘接、電子部件的印字硬化等。本課題從提升紫外LED照射器操作的便捷性以及功能的多樣性出發(fā)，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

紫外LED照射器的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由圖形操作界面、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制單元、信息存儲(chǔ)單元、紫外LED驅(qū)動(dòng)電源和紫外LED構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的工作過程簡(jiǎn)單描述如下:用戶通過圖形操作界面設(shè)置紫外光的照射模式、照射強(qiáng)度及照射時(shí)間等，按鍵信號(hào)采集電路獲取相應(yīng)的控制信號(hào)，并保存至FPGA的寄存器中，DSP查詢寄存器值獲取控制信號(hào)，經(jīng)分析處理后，一方面，DSP從并行FLASH中調(diào)出相應(yīng)字符圖像信息，將其通過PPI接口顯示于圖形操作界面的LCD上，另一方面，DSP發(fā)出相應(yīng)的紫外LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)FPGA傳送至紫外LED驅(qū)動(dòng)電源，LED驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流以驅(qū)動(dòng)紫外LED，實(shí)現(xiàn)設(shè)定條件的紫外光照射。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的主要功能

由于本次設(shè)計(jì)的紫外LED照射器配置了豐富圖形操作界面、用戶設(shè)置和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能等，所以控制系統(tǒng)不僅要完成紫外LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制，還要進(jìn)行按鍵信號(hào)采集和處理，LCD顯示屏的驅(qū)動(dòng)控制以及存儲(chǔ)單元的控制。

紫外LED為電流驅(qū)動(dòng)型元件，由專門的紫外LED電源驅(qū)動(dòng)，控制單元DSP只需通過FPGA將照射功率及照射時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外LED的控制。

2.2 DSP和FPGA芯片的選擇

對(duì)于DSP處理器，系統(tǒng)選用了ADI公司的嵌入式處理器ADSP BF531，它基于ADI與Intel聯(lián)合開發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)(MSA)［4］，將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。它的體系結(jié)構(gòu)不僅特別適合于完成視頻、圖像等的數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)還提供綜合的控制能力。對(duì)于FPGA芯片，我們選擇了XILINX公司的Spartan-3E系列FPGA芯片XC3S250E，該系列芯片具有低成本性能好的特點(diǎn)，為大容量消費(fèi)電子應(yīng)用提供了良好的解決方案，用戶可用I/O口最多可達(dá)108個(gè)，片內(nèi)數(shù)字時(shí)鐘管理單元提供了廣泛的頻率范圍(5 MHz～300 MHz)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

2.3 控制電路的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的控制電路核心部分采用了DSP+FPGA架構(gòu)，其原理圖如圖2所示。DSP與FPGA之間通過總線方式連接，DSP的數(shù)據(jù)總線寬度為16位，地址總線寬度為19位，在DSP的4 GB統(tǒng)一尋址空間中，將 FPGA作為 DSP的外設(shè)，地址的分配為0x203F FE00-0x2040 0000，DSP通過讀寫該地址段FPGA中的數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵信號(hào)的提取和紫外LED的控制。DSP的可編程標(biāo)志引腳PF2作為FPGA的軟件復(fù)位信號(hào)，PF0作為FPGA中的寄存器讀寫控制信號(hào)?？刂齐娐分饕瓿蒐CD驅(qū)動(dòng)控制、存儲(chǔ)器控制、按鍵采集控制、紫外LED照射控制，下面將依次闡述。

圖2 主控單元原理圖

(1)LCD驅(qū)動(dòng)控制

系統(tǒng)的圖形操作界面選用的是SHARP的LQ043T3DX02彩色液晶顯示屏，通過DSP的PPI接口驅(qū)動(dòng)。DSP的PPI接口包括一根PPI時(shí)鐘線，16根數(shù)據(jù)線和2個(gè)幀同步引腳，其中PPI時(shí)鐘由FPGA提供。幀同步信號(hào)用于控制圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)序，兩個(gè)幀同步引腳分別用來向LCD發(fā)送HSYNC和VSYNC信號(hào)，LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖3所示。

圖3 LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖

此外，LCD的顯示開關(guān)控制信號(hào)DISP由FPGA提供，DSP控制FPGA中對(duì)應(yīng)寄存器的值實(shí)現(xiàn)間接液晶開關(guān)控制。

(2)存儲(chǔ)器控制

系統(tǒng)的存儲(chǔ)器有SDRAM、并行FLASH和串行FLASH。外接的64 Mbyte SDRAM是為了提高DSP的圖像處理能力，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，SDRAM的時(shí)序控制由BF531的SDRAM Controller完成。DSP的SPI口連接一個(gè)1 Mbit的串行FLASH，用于用戶設(shè)置及數(shù)據(jù)的掉電保存。DSP外掛了一個(gè)4 Mbyte的Parallel FLASH，由于DSP的地址線為19位，而并行FLASH的地址線為21位，所以本次設(shè)計(jì)通過FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP地址線的擴(kuò)展。地址線擴(kuò)展原理如下所述:由于BF531的片外異步存儲(chǔ)器最大可達(dá)4 Mbyte，由4個(gè)1 Mbyte異步存儲(chǔ)塊構(gòu)成，每個(gè)塊的選通分別由AMS3#～AMS0#控制，AMSx#同F(xiàn)LASH的最高兩位地址的關(guān)系［5］，如表1所示。

表1 AMSx#與FLASH高位地址值對(duì)照表

故通過Verilog語言編程使FPGA根據(jù)BF531的異步存儲(chǔ)器控制引腳的狀態(tài)，輸出對(duì)應(yīng)的最高兩位地址的值即可實(shí)現(xiàn)地址總線的擴(kuò)展。具體實(shí)現(xiàn)如下:

(3)按鍵采集控制

按鍵采集設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，本次設(shè)計(jì)使用了清零線button_clr、時(shí)鐘線button_clk、按鍵值數(shù)據(jù)線button_y三根信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有按鍵信號(hào)的采集。圖4為按鍵信號(hào)采集電路，其主要由一個(gè)雙二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和兩個(gè)8通道的多路復(fù)用器組成。按鍵狀態(tài)信息通過按鍵值數(shù)據(jù)線button_y被記錄與FPGA中相應(yīng)的寄存器，DSP直接查詢FPGA的寄存器即可獲取按鍵信息。

圖4 按鍵信號(hào)采集電路圖

(4)紫外LED照射控制

對(duì)于紫外LED的控制，具體體現(xiàn)在照射強(qiáng)度及照射時(shí)間的控制上。DSP根據(jù)從圖形操作界面的采集到的按鍵信號(hào)生成具體的控制信號(hào)，將控制信號(hào)數(shù)據(jù)寫入FPGA中相應(yīng)的寄存器，F(xiàn)PGA經(jīng)串行方式將信號(hào)發(fā)送到紫外LED驅(qū)動(dòng)電源，電源再根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)紫外LED。由于FPGA的輸出電平為3.3 V，而紫外LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入電平為5 V，所以需要用到電平轉(zhuǎn)換芯片74ALVC164245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

紫外LED照射器的最大照射功率為8 000 mW/cm2，功率在0～8 000 mW/cm2范圍內(nèi)可調(diào)。通過對(duì)圖形操作界面的設(shè)置，照射器可進(jìn)行固定照射和階梯型照射。固定照射模式下，照射器在設(shè)定時(shí)間內(nèi)照射功率恒定。階梯型照射模式下，可以對(duì)照射功率進(jìn)行分段設(shè)置，達(dá)到不同時(shí)間段輸出不同照射功率的效果。實(shí)驗(yàn)中，我們進(jìn)行了8 000 mW/cm2、6 000 mW/cm2、4 000 mW/cm2、2 000 mW/cm2等多種功率的照射。部分結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明紫外LED控制系統(tǒng)可良好的控制紫外LED，實(shí)現(xiàn)設(shè)定照射功率和時(shí)間的紫外光照射。

圖5 兩種照射模式下的照射功率圖

4 結(jié)論

本文從紫外LED的總體結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，討論了其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以DSP+FPGA為核心的控制系統(tǒng)，可以快速的處理圖形操作界面的按鍵信號(hào)并生成相應(yīng)控制信號(hào)發(fā)送至紫外LED驅(qū)動(dòng)電源，以驅(qū)動(dòng)紫外LED，實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外LED照射器的實(shí)時(shí)控制。相比與現(xiàn)今國(guó)產(chǎn)的紫外LED固化設(shè)備，本次研究主要從紫外LED固化設(shè)備操作的便捷性和功能的多樣性進(jìn)行了改進(jìn)。豐富的控制按鍵以及直觀的圖形顯示界面使得照射器易于操作，存儲(chǔ)功能模塊的引入使得用戶可以保存設(shè)置及數(shù)據(jù)，便于下次的調(diào)用。圖6為圖形操作界面的主菜單界面。

圖6 主菜單界面

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