閆久江，李紅軍，陳 偉

YAN Jiu-jiang, LI Hong-jun, CHEN Wei

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430073）

0 引言

激光標(biāo)刻技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用技術(shù)之一。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，它的系統(tǒng)穩(wěn)定性、便利性和制造成本等關(guān)鍵指標(biāo)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的單機(jī)一般由PC機(jī)、控制板卡、上位機(jī)控制軟件、激光發(fā)生器及激光頭等部分組成，這種傳統(tǒng)的組合機(jī)器具有成本高、效率低、便利性差等特點(diǎn),無(wú)法適應(yīng)實(shí)際中的批量化生產(chǎn)。近年，以STM32F107為基礎(chǔ)嵌入式技術(shù)以其專用性強(qiáng)、系統(tǒng)精簡(jiǎn)等特點(diǎn)在工控領(lǐng)域得到了長(zhǎng)足發(fā)展，該處理器為互連型，采用了ARM7架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核。基于高速以太網(wǎng)PHY芯片DM9161A的以太網(wǎng)接口也廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信、監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理等功能。本研究采用STM32F107微控制器實(shí)現(xiàn)單工位打標(biāo)機(jī)的控制功能，并且結(jié)合以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)單工位的激光標(biāo)刻機(jī)與上位機(jī)的通信功能，以此實(shí)現(xiàn)打標(biāo)機(jī)的高穩(wěn)定性和低成本組成，以滿足復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高效率生產(chǎn)需要。

1 系統(tǒng)的工作原理及總體設(shè)計(jì)

振鏡掃描式激光標(biāo)刻系統(tǒng)一般由激光發(fā)生器、控制板卡、以及集成了X/Y振鏡電機(jī)、聚焦透鏡、振鏡驅(qū)動(dòng)電路的激光振鏡頭組成。激光標(biāo)刻系統(tǒng)的核心是其控制系統(tǒng)，在本設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)由標(biāo)刻控制單元實(shí)現(xiàn)，它主要由激光控制模塊、激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和報(bào)警模塊組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)激光標(biāo)刻控制系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)中STM32F107微控制器中集成有MAC（Media Access Control的縮寫，即媒體訪問(wèn)控制子層協(xié)議），再通過(guò)IEEE 802.3協(xié)議定義的簡(jiǎn)化獨(dú)立介質(zhì)接口RMII與外部的PHY芯片及RJ-45座相連接，搭建成適用于各類應(yīng)用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互通平臺(tái)，以此使上位機(jī)服務(wù)器與嵌入式客戶機(jī)形成主從式網(wǎng)絡(luò)連接，使下位機(jī)打標(biāo)控制單元能通過(guò)其網(wǎng)絡(luò)通信模塊根據(jù)輕型IP協(xié)議（Light weight IP,LwIP）與上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)工作時(shí)，激光器的功率、延時(shí)時(shí)間、占空比和零點(diǎn)位置等參數(shù)由系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化設(shè)置。之后，上位機(jī)將待標(biāo)刻的字符數(shù)據(jù)通過(guò)嵌入式以太網(wǎng)傳輸給具有唯一MAC地址的下位機(jī)的標(biāo)刻控制單元，該單元再通過(guò)其網(wǎng)絡(luò)模塊接收到字符數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)化為XY-100協(xié)議要求的16位數(shù)字位置控制信號(hào)后送至激光運(yùn)動(dòng)控制模塊，由此模塊對(duì)數(shù)字位置控制信號(hào)進(jìn)行差分、放大、比較、閉環(huán)校正等處理后送至振鏡電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)振鏡掃描式激光標(biāo)刻。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊硬件設(shè)計(jì)

基于STM32F107微控制器的在硬件上的資源的豐富性和它集成有以太網(wǎng)MAC等重要模塊，以及在軟件上有著健全的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，故本設(shè)計(jì)選取該芯片為CPU；另外，由于STM32F107沒(méi)有附帶物理層設(shè)備，故選取DM9161A為外部PHY Ethernet網(wǎng)口芯片。利用STM32F107內(nèi)部提供的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層MAC控制器與外部的物理層接口芯片及外圍輔助電路即共同組成該系統(tǒng)的高速以太網(wǎng)接口。本系統(tǒng)即通過(guò)該接口與上位機(jī)通訊，并由CPU提供的接收/發(fā)送寄存器及2K FIFO緩存（First In First Out）實(shí)現(xiàn)標(biāo)刻數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的實(shí)時(shí)接收與發(fā)送的功能。該模塊硬件電路圖如圖2所示。

在本設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)MAC與PHY的連接采用精簡(jiǎn)的介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（RMII）模式，該接口需要7跟數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)，但是可以和MII一樣支持10兆和100兆的總線接口速度。其各管腳在本模塊中的配置分析如下。首先，時(shí)鐘信號(hào)CLK-REF由外部有源晶振U2即XOSM-57提供，發(fā)送端口TX-EN、TX[0：1]分別外接CPU端ETHRMII-TX-EN、ETH-RMII-TXD[0：1]端口，用以完成從MAC端向物理層PHY發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端口RXD[0：1]、RX-DV分別外接ETH-RMII-RXD[0：1]及ETH-RMII-CRSDV，用以完成MAC端從物理層PHY接收數(shù)據(jù)，在該配置下，系統(tǒng)可以全雙工工作。另外，在該模塊中，HR911105A為分離RJ45的1：1變壓器芯片，它能為PHY提供電氣絕緣保護(hù)，使局域網(wǎng)處于絕緣環(huán)境中。

2.2 激光及振鏡模塊硬件設(shè)計(jì)

該模塊為本系統(tǒng)激光產(chǎn)生和控制以及振鏡控制的執(zhí)行模塊，主要由激光發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電路及激光振鏡驅(qū)動(dòng)電路組成，其硬件電路圖如圖3所示。

在本模塊中，激光發(fā)生器由STM32F107直接控制，從CPU引出的及PA5-PA8控制信號(hào)經(jīng)過(guò)74LS245N總線驅(qū)動(dòng)后通過(guò)DB25端口接入激光發(fā)生器。主要控制功能及配置分析如下：

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊硬件電路圖

圖3 激光及振鏡模塊硬件電路圖

激光功率控制：PB0-PB7，激光功率從00H～FFH的256級(jí)控制，對(duì)應(yīng)0～100%的功率輸出。

MO開(kāi)關(guān)：PD7，主振蕩器開(kāi)關(guān)控制，PD7為高電平，MO開(kāi)；PD7為低電平，MO關(guān)。

激光器開(kāi)關(guān)：PD6，PD6為高電平，激光器開(kāi)；PD6為低電平，激光器關(guān)。

頻率調(diào)制：PD5，頻率調(diào)制信號(hào)為5V，50KHz～100KHz脈沖信號(hào)。

報(bào)警信號(hào)：通過(guò)PB8、PB9的高低電平反應(yīng)激光器溫度報(bào)警、激光器高反射報(bào)警、主振蕩器報(bào)警及正常運(yùn)行4中運(yùn)行狀態(tài)。

振鏡頭的控制主要由激光振鏡運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)TD-XY2-100協(xié)議，產(chǎn)生4路16位數(shù)字控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)總線驅(qū)動(dòng)后再經(jīng)AM26LS31CD差分驅(qū)動(dòng)芯片后產(chǎn)生8路差分信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)DB15端口送至振對(duì)外部輸入的8路信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，最后達(dá)到對(duì)振鏡控制端輸入接口。振鏡頭內(nèi)集成有振鏡電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，鏡電機(jī)在-10°～10°擺動(dòng)2^16級(jí)閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）是以太網(wǎng)通訊的基礎(chǔ)，在本設(shè)計(jì)中也遵循著這一標(biāo)準(zhǔn)，其中LwIP協(xié)議構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，而LwIP與uC/OS—II的接口構(gòu)成操作系統(tǒng)模擬層。

軟件部分主要完成LwIP協(xié)議在uC/OS—II中移植，以及對(duì)LwIP的初始化配置，底層設(shè)備包括激光及振鏡模塊各端口的初始化，建立接收及通訊數(shù)據(jù)和狀態(tài)的處理線程等工作。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

3.1 LwIP的初始化

LwIP協(xié)議棧的初始化可以通過(guò)調(diào)用LwIP_Init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，初始化函數(shù)如下所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 底層設(shè)備端口的初始化

激光發(fā)生器功率控制端口的初始化主要是對(duì)管腳的APB2總線時(shí)鐘、內(nèi)存地址、端口輸出模式、時(shí)鐘頻率等參數(shù)的配置，其初始化函數(shù)如下所示，而振鏡控制端口的初始化配置與之類似，在此不在贅述。

3.3 標(biāo)刻數(shù)據(jù)的傳輸

建立數(shù)據(jù)的接收線程，一方面要完成數(shù)據(jù)的從MAC幀中的提取，之后送至LwIP數(shù)據(jù)處理線程進(jìn)行處理，以滿足標(biāo)刻需要；另外，把上層準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)包交給底層硬件，通過(guò)硬件模塊把數(shù)據(jù)封裝成MAC幀發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層及物理層網(wǎng)絡(luò)上。數(shù)據(jù)接收函數(shù)如下。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以順利的接收標(biāo)刻數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，最終進(jìn)行激光標(biāo)刻。該解決方案組成簡(jiǎn)單，相比現(xiàn)行激光標(biāo)刻設(shè)備控制系統(tǒng)組成優(yōu)勢(shì)明顯，有較好的穩(wěn)定性，對(duì)激光標(biāo)刻為來(lái)發(fā)展一體化、網(wǎng)絡(luò)化的方向有著重要的意義。

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