基于TMS320F2812 DSP的激光打標(biāo)控制器設(shè)計

隨著激光打標(biāo)機應(yīng)用范圍的不斷擴大，對激光打標(biāo)的速度和精度要求也越來越高。TI(德州儀器)公司的TMS320F2812DSP，是專門為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計的高速處理器，應(yīng)用其來開發(fā)激光打標(biāo)控制器具有實際意義，文中設(shè)計的激光打標(biāo)控制器應(yīng)用前景廣闊。

1 控制器的工作原理

振鏡式激光打標(biāo)控制器上位機是安裝了打標(biāo)軟件的計算機，文字和圖形通過圖像處理成大量的打標(biāo)數(shù)據(jù)，并在打標(biāo)軟件界面上顯示出效果圖。打標(biāo)數(shù)據(jù)由USB總線傳輸?shù)綌U展存儲器RAM上，再由DSP按順序取出送入到D／A轉(zhuǎn)換芯片中，D／A芯片轉(zhuǎn)換后輸出-5～5 V的模擬電壓驅(qū)動掃描振鏡和控制激光電源的功率，并由一路GPIO(通用輸入／輸出)引腳控制激光能量的開關(guān)，x、y軸振鏡控制激光焦點在二維平面上有序移動來完成各種形式的文字、圖形打標(biāo)。

2 振鏡式激光打標(biāo)控制器的硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。振鏡式激光打標(biāo)控制器主要有USB通訊電路、擴展存儲器電路、D／A轉(zhuǎn)換電路和CPLD電路。

2．1 USB通訊接口

USB通訊模塊采用Cypress公司的CY7C68013，USB與DSP的連接方法有FIFO和GPIF兩種，在本系統(tǒng)中采用了FIFO方式，讀寫信號由CPLD和DSP提供。USB芯片的SLOE連接到DSP的外部中斷，其他控制信號由DSP通過CPLD譯碼后與USB芯片連接，DSP的數(shù)據(jù)線和兩路地址線直接與USB相連。

2．2 高速D／A轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換部分為控制器的關(guān)鍵部分。本系統(tǒng)中需要三路D／A，分別控制振鏡x軸和振鏡y軸以及激光功率。對于本系統(tǒng)AD7836的主要技術(shù)參數(shù)都符合要求：

(1)單片4路14位D／A轉(zhuǎn)換；(2)電壓輸出，最大電壓輸出范圍是±10 V；(3)輸出電壓的建立時間典型值為16 μs。

D／A電壓分辨率為：5 V／213=O．61 mV。雙極性和單極性電壓輸出相比電路省去了改變電壓極性的運算放大器，使電路得到簡化。

Ad7836支持與16位以上微處理器和DSP的接口，包括14位數(shù)據(jù)線，3位地址線A0、A1、A2，控制信號CS、CLR、WR、SEL。CS處于低電平是AD7836被選中；只有CLR處于高電平時D／A轉(zhuǎn)換器內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器值才能控制模擬電壓輸出值；WR為低電平有效，可以聯(lián)合CS使數(shù)據(jù)寫入輸入緩存器內(nèi)。SEL為高電平時用戶設(shè)定的寄存器E值輸出到VOUT，故可接地。當(dāng)系統(tǒng)工作時，由于采用外部接口XINTF，對D／A芯片的操作和從SRAM中讀寫數(shù)據(jù)一樣，控制D／A芯片的外部接口2區(qū)的起始地址是0X08 0000?？梢栽诔绦蛑须S時改變相應(yīng)值來控制D／A轉(zhuǎn)換的電壓值，進而控制打標(biāo)點的位置。如要打標(biāo)圖片，則可以按逐行掃描的方式輸出各打標(biāo)點的位置和激光能量。

DSP與AD7836的引腳連接如圖2所示。

由于使用的振鏡的驅(qū)動電壓范圍也是±5 V，在本系統(tǒng)中各通道的參考電壓VREF(+)和VREF(-)分別接±2．5 V。精確±2．5 V參照電壓在硬件電路設(shè)計中采用Microehip公司的專用2．5 V電壓基準(zhǔn)源MCPl525和OP運算放大器MCP606。如圖3所示，+2．5 V的電壓基準(zhǔn)由MCPl525產(chǎn)生后，為了降低噪音，采用了RC低通濾波和MCP606，在這里MCP606作為電壓跟隨器使用。如圖4所示，-2．5 V電壓則由+2．5 V通過兩個等值電阻和MCP606構(gòu)成的分壓器產(chǎn)生。

AD7836和DSP的引腳電壓不同，故不能直接相連，系統(tǒng)中選用了SN74ALVCl64245芯片來隔離兩邊的數(shù)據(jù)總線。其輸出使能控制引腳OE1和OE2均接低電平，數(shù)據(jù)線的方向DIR1和DIR2都接高電平，保證芯片輸出端隨輸入端即時變化。

2．3 擴展數(shù)據(jù)存儲器

存儲器用來暫存從上位機傳來的打標(biāo)數(shù)據(jù)，外部擴展存儲器采用IS61LV51216，為512 kB，16位的SRAM存儲器，共有19位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線。本系統(tǒng)中SARAM存取時間為10 ns，CMOS工藝，3．3 V供電，輸入輸出為TTL兼容，適合作為DSP的外部擴展存儲器。存儲器通過DSP的外部接口XINTF擴展，采用F2812的／XZCS6AND7引腳作為片選，因此對應(yīng)于存儲器映射的外部接口6區(qū)，地址范圍為0X10 0000～0X17FFFF。

2．4 CPLD系統(tǒng)

本系統(tǒng)中CPLD采用Altera公司的MAX3000A系列的EPM3256A芯片，CPLD的固件用軟件MAX+plusII設(shè)計。CPLD主要用來控制USB芯片的數(shù)據(jù)傳輸，并由其擴展出中斷按鍵和液晶顯示模塊。另外DSP系統(tǒng)預(yù)留了多路GPIO接口，可以控制步進電機組成的多維運動控制平臺。通過預(yù)留GPIO口并使用CPLD芯片，使系統(tǒng)的可擴展性增強。

3 控制器系統(tǒng)軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)的軟件由兩部分組成，上位機采用可視化面向?qū)ο笳Z言VB 6．O設(shè)計，主要負(fù)責(zé)打標(biāo)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和打包傳輸，以及用戶界面實現(xiàn)人機交互；下位機DSP由C／C++編寫系統(tǒng)程序，用TI公司提供的高效的C編譯器和集成開發(fā)環(huán)境：代碼工作室(CCS)來開發(fā)。控制系統(tǒng)的主要流程圖如圖5所示。

打標(biāo)機開機后下位機程序根據(jù)用戶界面上參數(shù)對各芯片和存儲器的初始化，參數(shù)包括激光能量、掃描次數(shù)、文字填充方式等。然后等待上位機由USB接口傳送打標(biāo)數(shù)據(jù)，打標(biāo)數(shù)據(jù)先保存在數(shù)據(jù)存儲器。這時無論從用戶界面還是鍵盤上發(fā)出開始打標(biāo)指令后，DSP從數(shù)據(jù)存儲器中取出打標(biāo)數(shù)據(jù)，送入D／A芯片中。D／A芯片輸出相應(yīng)的電壓驅(qū)動振鏡，直到完成本次打標(biāo)。相同的打標(biāo)圖形只需傳輸一次數(shù)據(jù)，從軟件或鍵盤上選擇開始加工按鈕即可。

在進行圖形打標(biāo)時，導(dǎo)入圖形文件并作圖像處理后，轉(zhuǎn)化成打標(biāo)位置數(shù)據(jù)；文字打標(biāo)時在VisualBasic中調(diào)用Windows API函數(shù)GetGly-phOutline得到文字的外形輪廓，可以進行放縮、旋轉(zhuǎn)等操作而不影響文字顯示質(zhì)量，并通過DrawGlyph函數(shù)將其顯示效果在用戶界面上顯示。圖6是軟件用戶界面漢字的顯示效果。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種基于TMS320F2812DSP的激光打標(biāo)控制器，采用了一個4路輸出的D／A轉(zhuǎn)換器來控制振鏡和激光電源，高性能D／A轉(zhuǎn)換模塊使激光打標(biāo)的速度和精度有較大提高，使用USB接口使打標(biāo)控制器可以即插即用，且提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。系統(tǒng)上位機用Visual Basic編程，下位機用C語言編程，程序移植容易。開發(fā)出的打標(biāo)系統(tǒng)在速度、精度上均達到了理想的效果。文中描述了軟硬件系統(tǒng)，對振鏡式激光打標(biāo)控制器的設(shè)計有普遍的參考價值。