摘 要：嵌入式激光打標機控制系統(tǒng)不僅可實現脫機打標功能，還可以通過以太網實現遠程控制，且其擁有結構緊湊，功耗低和實施性好的特點，這使得嵌入系統(tǒng)飛速發(fā)展。本文就嵌入式激光機打標機運動控制卡軟件系統(tǒng)設計做了進一步探討。

關鍵詞：嵌入式；激光打標機；運動控制；軟件系統(tǒng)

中圖分類號：TP273

1 緒論

1.1 激光打標概述與現狀。自激光器問世以來，它就以非?？斓乃俣劝l(fā)展。由于激光擁有單色性、相干性、方向性好以及高強度等優(yōu)點，在激光加工，激光武器，激光治療方面有很多應用?，F在激光工作物質有晶體，氣體，玻璃，液體以及自由電子等之多也加速了激光的發(fā)展。而激光打標技術是上世紀90年代興起的一門工業(yè)加工技術，它利用高能量密度激光在各種不同的物質表面產生化學效應或表層物質蒸發(fā)，而在物質表面留下永久性標志。在實際生產中要想使激光打標機更好地應用，還要有良好的軟件控制系統(tǒng)。目前，在我國激光器的外圍輔助控制系統(tǒng)的發(fā)展與國外還差很遠。我國的軟件和外圍輔助控制系統(tǒng)大多數都是從外國進口。由于我們無法掌握核心技術，不能根據國民需要設計出相應的產品，這使我們不能在產品上真正獨立，還需要依靠國外。所以我們要設計出擁有自己特色的激光打標機運動控制卡軟件。

1.2 激光打標系統(tǒng)的一般組成。激光打標機一般由激光器，導光系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，電源，冷卻系統(tǒng)這幾部分組成。激光打標機的激光器主要有射頻激勵CO激光器，YAG激光器，準分子激光器，TEACO激光器幾種。

1.3 嵌入式系統(tǒng)的簡介與原理。嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨立功能，通過開發(fā)應用軟件來實現各種自動化處理任務的專用計算機系統(tǒng)。它由微電子芯片和嵌入在ROM，RAM和FLASH存儲器中的微型操作系統(tǒng)構成。主要用于實時控制，數據處理，完成各種自動化處理和輔助其他設備運轉方面。

嵌入式系統(tǒng)的主要原理就是替換原有PC控制方式，通過一個帶小型微處理器的嵌入式控制系統(tǒng)來控制達標機。因為每次重復完成相同圖案的標刻，所以不需要配有顯示裝置。要更換標刻圖案時，只需讓上位PC機通過通訊接口將待標刻的圖形文件及一些控制參數傳到下位微處理器，然后下位機根據下傳過來的圖形文件和控制參數對打標機進行控制。

1.4 目前激光打標的幾種控制方案。主要有單片機控制的激光打標系統(tǒng)、計算機與單片機相結合控制的激光達標系統(tǒng)、計算機控制的激光打標系統(tǒng)、工控機和DSP相結合的激光打標系統(tǒng)。

2 軟件設計原理

2.1 插補算法

2.1.1 插補原理。激光打標系統(tǒng)的插補是依照一定方法確定激光運動軌跡的過程。激光頭由2個電機分別控制Z軸和Y軸的運動，插補時DSP根據輸入的基本數據，通過計算把矢量圖的形狀描繪出來，邊計算邊根據計算結果向各電機發(fā)出進給脈沖，對應每個脈沖，激光在相應的坐標方向上移動一個脈沖距離，從而打出所設定的圖形。

2.1.2 目前比較流行的幾種插補算法。（1）逐點比較法。每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每一步都要通過偏差函數計算，判斷偏差函數的瞬時坐標同規(guī)定加工軌跡之間的偏差，然后決定下一步的進給方向。每個差補循環(huán)由偏差判斷、進給、偏差函數計算和終點判別組成逐點比較法可以實現直線插補，圓弧插補和其他曲線插補；（2）數字積分法。它是脈沖增量插補的一種，它用數字積分的方法計算刀具沿各坐標軸的移動量，從而使刀具沿著設定的曲線運動。我們可用數字積分器，數字微分器等裝置來實現數字積分插補計算；（3）時間分割法。其屬于數據采樣插補，分為粗插補和精插補。在實際中，上位機對獲得的圖形進行粗插補，上位機將采樣發(fā)送給下位機，下位機對采用的微小直線段進行精插補。一般先根據加工指令中的進給速度F，計算出一個插補周期的輪廓步長L，及以插補周期為時間單位，將加工過程分割成許多個時間單位內的進給過程，以插補周期為時間單位，則時間單位內移動的路程就是速度，因此輪廓步長L與速度F相等。在進給過程中，對實際位置進行采樣，與插補計算的坐標值進行比較，得出位置誤差，位置誤差將在下一個采樣周期內修正，采樣周期可以等于插補周期也可以小于插補周期。

2.1.3 直線插補。在對直線插補前要進行判斷，如果直線屬于直線段與Z軸平行、直線段與坐標軸夾角為45度或直線段與Y軸平行這3種情況之一，就直接執(zhí)行相應算法。否則就要每插補完一個點后都要算出當前點與起始點構成的直線段的斜率。插補算法在對我們用圖形軟件設計出的各種形狀規(guī)則和非規(guī)則的矢量圖，都可以用直線進行插補。因為如果將任意矢量圖形放大到足夠大，它都是由很多微觀首尾相連的直線組成的，所以對圖形的插補就轉換成了對這些直線的插補。

2.2 數據的傳輸與處理

2.2.1 DSP對數據的處理。當NCPLD-INT向DSP發(fā)送數據時，CPLD里收到PC104傳來的數據后就會以外部中斷信號，表示有數據傳給DSP?？删幊炭诘牡?個管腳設置成外部中斷模式，用來接受CPLD發(fā)來的中斷信號。XSP從CPLD接收的數據包含的信息有：全局參數，標刻參數，紅光點數據，不差校正參數等。DSP接受到這些數據后，首先會對數據進行校驗。如果教驗正確，DSP將對數據進行一系列處理包括插補、校正、紅光等，然后處理后的點的坐標從2個SPORT口輸出，分別經過1個DA轉換器與2個DA轉換芯片之間的通信，最后信號控制電機。如果校驗錯誤，則會告知CPLD參數發(fā)送不成功。

2.2.2 HPI主機接口的數據傳輸。要通過HPI訪問DSP的內部存儲空間，必須要有HPI的寄存器。在HPI接口處的15個寄存器中，有9個是專用于DMA方式的。只有配置主機接口配置寄存器和主機接口直接訪問頁寄存器，才可以進行直接訪問。而外部主機或者DSP自己可以通過配置這2個寄存器，來訪問主機接口。

3 嵌入式軟件設計

由于嵌入式模塊具有體積小，功耗低的優(yōu)點，很適合在較小的或惡劣的環(huán)境操作。在應用中，通常不能使用磁介質來運行應用程序和引導操作系統(tǒng)，應該使用半導體存儲器代替軟盤或磁盤驅動器來運行系統(tǒng)。在用固定盤啟動系統(tǒng)前，首先要在固定盤中安裝操作系統(tǒng)，用戶可根據需要安裝DOS或LINUX操作系統(tǒng)。固態(tài)盤的使用為用戶的使用帶來了極大的方便，用戶在實際應用中，只需在STDUP設置環(huán)境中將系統(tǒng)啟動盤定為固態(tài)盤，系統(tǒng)啟動后便進入與普通PC機相同的DOS環(huán)境，用戶只需將編譯好的可執(zhí)行文件傳從到固定盤中即可。

4 實驗結果與分析

通過研究嵌入式激光打標機運動控制卡軟件系統(tǒng)的設計，了解了其與傳統(tǒng)激光打標機的不同，具體有以下幾個優(yōu)點：（1）可以避免由于PC機中ISA總線插槽被淘汰而導致的供貨短缺問題。隨著市面上PC機的不斷跟新還代，有的PC機已不配ISA插槽，而PC/104已經成為嵌入式領域的一個行業(yè)標準，不管哪家公司的PC/104模板，管腳都是兼容的；（2）嵌入式設計的控制系統(tǒng)接結構緊湊，實時性好，可靠性高，降低產品成本。因為嵌入式系統(tǒng)可以根據用戶的需求，采用安裝相應的軟件和操作系統(tǒng)；（3）便于產品跟新還代。如果采用其他設計則在設計CPU的外圍電路時，將會花費很多時間，增加了產品的開發(fā)周期。且由于芯片的設計若要升級換代，必須重新設計。

此外，通過DSP的高運算速度和強大浮點運算能力，對定時和中斷服務程序及插補校正算法的不斷優(yōu)化，實現了令人滿意的打標效果。

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作者單位：達州市中心血站，四川達州 635000；達州市衛(wèi)生局，四川達州 635000