基于DSP的振鏡掃描式激光標(biāo)記系統(tǒng)分析

0 引言

振鏡掃描式激光標(biāo)記技術(shù)就是通過控制兩片高速振鏡的偏轉(zhuǎn)角, 改變激光的傳播方向, 經(jīng)過F-Theata透鏡在工件表面的聚焦, 在工件表面作標(biāo)記。與傳統(tǒng)的標(biāo)記技術(shù)相比, 它具有適用面廣(對(duì)不同材料、形狀的加工表面均適合) , 工件無機(jī)械變形, 無污染, 標(biāo)記速度快, 重復(fù)性好, 自動(dòng)化程度高等特點(diǎn), 在工業(yè)、國防、科研等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途。高速高精度的振鏡標(biāo)記已成為當(dāng)今標(biāo)記行業(yè)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的振鏡標(biāo)記控制系統(tǒng)通過PC 機(jī)的串口、并口ISA 總線與單片控制板相連，這種方式接口簡(jiǎn)單、連接方便, 開發(fā)費(fèi)用低, 但由于傳輸速度低, 已不能滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。本文在激光標(biāo)記控制技術(shù)方面進(jìn)行了一些新的探索：利用PCI的高速數(shù)據(jù)傳輸和DSP高速數(shù)據(jù)處理能力，提出一種“PC機(jī)+PCI總線+DSP控制板卡”的方式，用于振鏡標(biāo)記控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)記控制的精確控制，提高控制效率，保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。DSP控制板卡是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它直接決定著系統(tǒng)的掃描速度和掃描精度，本文將著重介紹該控制板卡的設(shè)計(jì)。

1 DSP芯片

DSP控制板卡的主芯片選用德州儀器公司C6000系列的高速數(shù)據(jù)處理芯片TMS320C6205。該芯片為高性能的定點(diǎn)處理器，主頻可達(dá)200MHz，每個(gè)周期能執(zhí)行8條32-bit的指令，處理速度可達(dá)1600MIPS；采用高性能的VLIW結(jié)構(gòu)的TMS320C62xTM DSP核，有8個(gè)獨(dú)立的功能單元，32個(gè)32位的通用寄存器；提供64K字節(jié)的內(nèi)部程序RAM和64K字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；提供32位的外部存儲(chǔ)器無縫接口，包括同步器件（如SDRAM、SBSRAM等）、異步器件（如FLASH、SRAM等）和可尋址52M字節(jié)的外部存儲(chǔ)空間；提供靈活的PLL、時(shí)鐘產(chǎn)生器，可配置倍頻值；提供符合PCI 2.2規(guī)范的PCI總線接口，直接實(shí)現(xiàn)芯片和PCI總線的橋接功能；提供兩個(gè)32位的定時(shí)器；提供在線調(diào)試的JTAG邊界掃描接口。采用此芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理，保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，且由于帶了PCI橋接功能，提供了和PCI總線的接口，經(jīng)濟(jì)可靠。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。DSP控制板卡通過PCI總線與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)高速通信。DSP處理模塊為主控制模塊，使用主頻為200MHz的 TMS320C6205芯片作為主控制芯片。DSP處理模塊充分利用了C6000系列DSP的快速計(jì)算能力和高精度定時(shí)器，能夠保證振鏡標(biāo)記機(jī)進(jìn)行勻速、高速標(biāo)記，這些由PC機(jī)是沒有辦法做到的。DSP的外圍電路包括存儲(chǔ)模塊、復(fù)位控制、電源控制、時(shí)鐘系統(tǒng)、JTAG端口、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、CPLD邏輯控制模塊和光電隔離模塊等。其中存儲(chǔ)模塊包括FLASH模塊和SDRAM模塊，F(xiàn)LASH用來存儲(chǔ)系統(tǒng)啟動(dòng)代碼和軟件代碼，SDRAM用于提供軟件運(yùn)行時(shí)所需的額外存儲(chǔ)空間。DSP控制板卡輸出兩路模擬量控制兩塊振鏡的運(yùn)動(dòng)，輸出Q開關(guān)控制信號(hào)以控制激光器的開關(guān)光，輸入/輸出16路光電隔離信號(hào)用于功能擴(kuò)展。

 

2.2 PC機(jī)與DSP的通信

 PCI 總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對(duì)這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號(hào)緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。PCI總線相比起ISA總線，有傳輸速度快，傳輸量大的優(yōu)點(diǎn)。

 本系統(tǒng)選用TMS320C6205，該芯片自帶了符合PCI2.2規(guī)范的PCI總線橋接功能，開發(fā)者免去了PCI協(xié)議的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了便利，縮短了開發(fā)周期，也節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用。開發(fā)者只需將PCI插槽上的總線信號(hào)和DSP芯片上相關(guān)的PCI總線信號(hào)直接相連即可。帶“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC機(jī)的PCI卡槽中使用，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與DSP之間的通信。PCI設(shè)備可以訪問所有的內(nèi)部RAM空間、外設(shè)和外部存儲(chǔ)器空間。

DSP控制板卡使用的PCI總線寬度為32為（3.3V），總線頻率為33MHz，傳輸速率為33×32/4MB/s = 132MB/s 。此傳輸速率為整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行提供了保障。

2.3 CPLD邏輯控制

整個(gè)高速系統(tǒng)的邏輯控制是通過高速CPLD芯片來實(shí)現(xiàn)的。選用ALTERA公司的MAX7128E芯片實(shí)現(xiàn)，可用編程邏輯門為2500，宏單元數(shù)128，邏輯陣列塊數(shù)8，用戶可定義I/O腳100個(gè)，pin-to-pin延時(shí)為5ns。MAX7000系列器件可以通過編程器進(jìn)行編程，也可以在線編程。本設(shè)計(jì)采用了在線編程（ISP）。ISP允許在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中迅速方便地重復(fù)編程，簡(jiǎn)化了制作過程，允許器件在編程之前就先裝配到印制板上。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中LED信號(hào)燈、FLASH、DA芯片、16路I/O光電隔離接口、模擬開關(guān)、Q開關(guān)、PWM輸出、軟件復(fù)位控制都使用了CE1空間的地址，為了防止這些器件的互相干擾，必須對(duì)輸入地址進(jìn)行譯碼。通過判斷輸入到CPLD的PA[2：6]和PA[16：21]可以知道DSP正在訪問的地址區(qū)域，進(jìn)行CE1空間的地址譯碼，從而產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)邏輯控制和時(shí)序控制。

CPLD上構(gòu)建的寄存器的高地址都是一樣的，命名為dsp_reg_addr，由Pa16~21構(gòu)成，若Pa16~21設(shè)置為"111000"即表示地址0x0178xxxx。

低地址由Pa2~6構(gòu)成，對(duì)10個(gè)寄存器尋址，地址對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所示。

表 1地址分配表

 
2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將DSP處理完的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)以控制兩路振鏡的偏轉(zhuǎn)。由于現(xiàn)在對(duì)標(biāo)記精度的要求越來越高，傳統(tǒng)的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器已無法滿足用戶的需求，因此本系統(tǒng)選用ADI公司的16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD669芯片，如圖2所示。AD669為16位并行輸入，二級(jí)數(shù)據(jù)緩存結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中將/L1信號(hào)直接接地設(shè)置為有效，通過控制/CS和LDAC信號(hào)分別控制一級(jí)緩存和二級(jí)緩存?？刂普耒R信號(hào)的電壓范圍為-10V～+10V，以標(biāo)記100mm×100mm幅面大小的標(biāo)牌為例，精度可達(dá)100mm/216=0.0015mm，對(duì)應(yīng)最小輸出電壓為0.00031V。
 


經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上電時(shí)，AD669芯片的輸出為一不可控量，會(huì)使振鏡在上電瞬間有一個(gè)偏轉(zhuǎn)，倘若偏轉(zhuǎn)幅度過大，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致振鏡的斷裂。為了保護(hù)振鏡，可設(shè)計(jì)一個(gè)模擬開關(guān)電路以控制AD669芯片上電時(shí)的輸出，使其為0V。筆者將模擬開關(guān)放在AD669芯片的參考電壓輸入端，通過CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬開關(guān)的控制，來控制參考電壓的有無，從而保證在上電時(shí)振鏡不偏轉(zhuǎn)。

3 PCB設(shè)計(jì)

該控制板卡選用主頻200MHz的高速DSP處理芯片，高速信號(hào)系統(tǒng)中，存在EMC問題，將影響系統(tǒng)的性能。為了設(shè)計(jì)出一塊穩(wěn)定，抗干擾性能好的控制板卡，采取了以下措施

1、板層的合理安排

該控制板卡為六層板，板層設(shè)計(jì)為（從頂層到底層依次）信號(hào)層-地層-電源層-信號(hào)層-地層-信號(hào)層。這樣的板層結(jié)構(gòu)安排，使每一個(gè)信號(hào)層和電源層都緊鄰一個(gè)地層，給信號(hào)提供一個(gè)較短的回流路徑。

2、時(shí)鐘信號(hào)線的處理

PCI時(shí)鐘信號(hào)的一半要靠反射波來提升，因此，時(shí)鐘信號(hào)CLK走線長(zhǎng)度近似為2500 mil，走蛇形線實(shí)現(xiàn)（此點(diǎn)在PCI2.2規(guī)范的走線要求中有明確規(guī)定）。對(duì)于DSP芯片，晶振電路盡量靠近DSP芯片，且時(shí)鐘信號(hào)盡量短。

3、SDRAM相關(guān)信號(hào)線的處理

SDRAM工作頻率為100MHz，在高頻下，信號(hào)的傳輸時(shí)間和信號(hào)的走線長(zhǎng)度有直接的關(guān)系，已不能忽略此問題。因此SDRAM的數(shù)據(jù)線和地址線要等長(zhǎng)走線，以保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。另外，串?dāng)_和振鈴問題在高頻下也極易出現(xiàn)，對(duì)SDRAM和DSP接口的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)、地址總線信號(hào)，在源端串接匹配電阻以提高信號(hào)傳輸質(zhì)量，保證SDRAM在高頻下能正常工作。

4、數(shù)模電路的隔離處理

控制板卡上有數(shù)字電路和模擬電路，在布局時(shí)，必須考慮數(shù)模電路的隔離問題，盡量將數(shù)字電路和模擬電路分塊布局，避免數(shù)字信號(hào)走線跨越模擬電路區(qū)域，以防止兩塊電路間的相互干擾。另外數(shù)字電路和模擬電路通過0歐電阻一點(diǎn)共地。

5、電容的使用

在每個(gè)數(shù)字芯片的電源引腳旁邊放置一個(gè)1.01uF的去耦電容。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)將高速PCI總線與C6000高速DSP處理器相結(jié)合，配以高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了一套高速高精度的控制系統(tǒng)，并將其成功的運(yùn)用到振鏡激光標(biāo)記系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了DSP的高速處理能力和內(nèi)部的高精度定時(shí)器，分擔(dān)了PC機(jī)的實(shí)時(shí)性任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與DSP控制板卡的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性標(biāo)記，保證了標(biāo)記質(zhì)量的均勻性。本文還給出了DSP控制板卡在PCB設(shè)計(jì)階段的注意點(diǎn)，該板卡已在生產(chǎn)實(shí)際中投入使用，具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性。