康凱

基于DSP和FPGA的激光數(shù)控加工系統(tǒng)的設計

康凱

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所 河南洛陽 471000）

本文設計了以DSP、FPGA和單片機為核心的數(shù)控系統(tǒng)。通過對以DSP和FPGA為核心的加工控制部分的軟、硬件進行優(yōu)化，該系統(tǒng)達到了設計目標并取得了令人滿意的加工效果，采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為加工數(shù)據(jù)的執(zhí)行器件，較好的解決了MCU或DSP系統(tǒng)處理的帶寬限制，用戶系統(tǒng)軟件及運動控制軟件混雜性的問題。

DSP；FPGA；激光；數(shù)控加工

本系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理器DSP完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復雜圖形做出全面的分析又不會喪失系統(tǒng)性能，還在FPGA內(nèi)部采用了雙存儲器交替加工的結(jié)構(gòu)，從根本上消除了相鄰數(shù)據(jù)間的加工停頓。

1 系統(tǒng)設計

激光加工系統(tǒng)主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統(tǒng)在控制工作頭做矢量運動的同時，配合激光在被加工物體上切割出不同的線條；雕刻是指系統(tǒng)控制激光頭在一定區(qū)域內(nèi)進行往復掃描，以類似打印機的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統(tǒng)采用由計算機獲得圖形并傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)傳輸階段，加工數(shù)據(jù)由計算機通過以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后存入HK9F1G08U0A存儲器。在脫機加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲器重新讀出并進行處理、計算，并將最終的加工數(shù)據(jù)輸入EP1C6T144C8內(nèi)部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內(nèi)部的通訊模塊和單片機交換數(shù)據(jù)，獲取有關人機界面和諸如限位開關、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態(tài)。加工信號預處理電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光電隔離器組成。它負責將FPGA輸出的加工信號進行處理后驅(qū)動步進電機和激光器。

2 DSP的軟件設計

在待機階段，DSP將從計算機取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對這些數(shù)據(jù)進行分析并合理分配加、減速區(qū)域。加減速區(qū)是用多段幅值較小的速度變化代替一次較大的速度變化。對于大尺寸或高速運動平臺來說，電機的加、減速過程必不可少。在以往的步進電機驅(qū)動算法的設計中，大多采用簡單的二次曲線進行速度擬合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運動平臺上并不能夠充分考慮到機械部件間的靜摩擦力和旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量等因素，其運行效果并不理想。在加、減速區(qū)的計算過程中，通過將速度和加速時間的關系與曲線進行擬合來得到加速區(qū)速度，通過將速度和減速時間的關系與反形曲線進行擬合得到減速區(qū)速度。加、減速區(qū)所使用的擬合曲線并不相同，減速區(qū)曲線斜率更大。這是由于減速過程中受機械系統(tǒng)摩擦力等因素的影響，電機負荷較小，可以承受更快的減速過程。使用曲線進行擬合的優(yōu)點主要有，電機從靜止狀態(tài)過渡到行進狀態(tài)的過程中，由于各機械部件之間存在靜摩擦力，可使電機較為平緩地啟動，避免了撞擊或丟步現(xiàn)象的發(fā)生。電機進入平穩(wěn)運行階段時，可以使用較大的加速度進行速度提升。隨著速度的增加，電機的剩余功率將不斷減小，此時應不斷減緩加速進程。電機從行進狀態(tài)過渡到靜止狀態(tài)的減速過程中，此種擬合方法可以使電機平穩(wěn)過渡，避免發(fā)生撞擊。

3 FPGA的內(nèi)部邏輯設計

從DSP的角度看，F(xiàn)PGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結(jié)果寫入此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類別數(shù)據(jù)并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器受限于處理器的單任務特性，通常采用單片大容量存儲單元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費多個讀取周期才能得到一組完整的數(shù)據(jù)。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統(tǒng)的設計形式，將不同類別數(shù)據(jù)存放于獨立的存儲單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得全部數(shù)據(jù)。運用這種方式可以在讀數(shù)時間最小化的同時簡化編程，也可以使整體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。市場上已有的同類FPGA產(chǎn)品大多采用寫入一條數(shù)據(jù)、執(zhí)行一條數(shù)據(jù)的工作方式，這將在數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生停頓。采用了存儲器作為加工數(shù)據(jù)的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數(shù)據(jù)時依然會造成加工停頓。當系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲器中的數(shù)據(jù)時，DSP可將計算結(jié)果寫入另一組存儲器。由于DSP的運算速度遠遠高于加工速度，所以雙存儲器架構(gòu)可以保證加工不被間斷，見圖（FPGA加工程序流程圖）。在地址對齊的前提下更換存儲器組需要改變存儲器組選擇信號并將地址計數(shù)器清零。FPGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。

圖1 FPGA加工程序流程圖

4 實驗

實驗中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺，X、Y軸步進電機采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉(zhuǎn)矩為2.2N·m，定位轉(zhuǎn)矩為700g·cm，電機接法采用并聯(lián)形式以突出高速性能。電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動經(jīng)減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運動，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周使工作頭移動24mm。在實驗中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。圖形文件由PC機軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機加工，在切割模式下，長矢量的加工速度可以平穩(wěn)超過20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/min。在對一幅含有超過13萬條矢量的復雜圖形連續(xù)加工5次后，無肉眼可分辨的位置偏差。由于本系統(tǒng)采用了DSP進行圖形分析，使得系統(tǒng)對復雜圖形的處理能力得到了很大的提高。FPGA內(nèi)部雙存儲器交替工作的結(jié)構(gòu)也從根本上解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中加工停頓的問題。實驗表明，本系統(tǒng)擁有加工速度快、圖形處理能力強、使用簡便可靠等優(yōu)點。

[1]張師偉，傅 星，楊恒宗，邱維寶，鄔 勇，胡小唐.基于DSP、FPGA和單片機的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)的軟硬件設計[J].電子測量技術，2007（6）.

[2]蔡兵.基于DSP和FPGA的激光加工控制系統(tǒng)研究[M].華中科技大學，2006，11.

TN249

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1004-7344（2016）33-0272-01

2016-10-26

康凱（1980-），男，河南鄭州人，工程師，大學本科，研究方向為嵌入式軟硬件、自動化控制系統(tǒng)。