嵌入式激光打标机运动控制卡软件系统设计

摘 要：嵌入式激光打标机控制系统不仅可实现脱机打标功能，还可以通过以太网实现远程控制，且其拥有结构紧凑，功耗低和实施性好的特点，这使得嵌入系统飞速发展。本文就嵌入式激光机打标机运动控制卡软件系统设计做了进一步探讨。

关键词：嵌入式；激光打标机；运动控制；软件系统

中图分类号：TP273

1 绪论

1.1 激光打标概述与现状。自激光器问世以来，它就以非常快的速度发展。由于激光拥有单色性、相干性、方向性好以及高强度等优点，在激光加工，激光武器，激光治疗方面有很多应用。现在激光工作物质有晶体，气体，玻璃，液体以及自由电子等之多也加速了激光的发展。而激光打标技术是上世纪90年代兴起的一门工业加工技术，它利用高能量密度激光在各种不同的物质表面产生化学效应或表层物质蒸发，而在物质表面留下永久性标志。在实际生产中要想使激光打标机更好地应用，还要有良好的软件控制系统。目前，在我国激光器的外围辅助控制系统的发展与国外还差很远。我国的软件和外围辅助控制系统大多数都是从外国进口。由于我们无法掌握核心技术，不能根据国民需要设计出相应的产品，这使我们不能在产品上真正独立，还需要依靠国外。所以我们要设计出拥有自己特色的激光打标机运动控制卡软件。

1.2 激光打标系统的一般组成。激光打标机一般由激光器，导光系统，控制系统，电源，冷却系统这几部分组成。激光打标机的激光器主要有射频激励CO激光器，YAG激光器，准分子激光器，TEACO激光器几种。

1.3 嵌入式系统的简介与原理。嵌入式系统是指用于执行独立功能，通过开发应用软件来实现各种自动化处理任务的专用计算机系统。它由微电子芯片和嵌入在ROM，RAM和FLASH存储器中的微型操作系统构成。主要用于实时控制，数据处理，完成各种自动化处理和辅助其他设备运转方面。

嵌入式系统的主要原理就是替换原有PC控制方式，通过一个带小型微处理器的嵌入式控制系统来控制达标机。因为每次重复完成相同图案的标刻，所以不需要配有显示装置。要更换标刻图案时，只需让上位PC机通过通讯接口将待标刻的图形文件及一些控制参数传到下位微处理器，然后下位机根据下传过来的图形文件和控制参数对打标机进行控制。

1.4 目前激光打标的几种控制方案。主要有单片机控制的激光打标系统、计算机与单片机相结合控制的激光达标系统、计算机控制的激光打标系统、工控机和DSP相结合的激光打标系统。

2 软件设计原理

2.1 插补算法

2.1.1 插补原理。激光打标系统的插补是依照一定方法确定激光运动轨迹的过程。激光头由2个电机分别控制Z轴和Y轴的运动，插补时DSP根据输入的基本数据，通过计算把矢量图的形状描绘出来，边计算边根据计算结果向各电机发出进给脉冲，对应每个脉冲，激光在相应的坐标方向上移动一个脉冲距离，从而打出所设定的图形。

2.1.2 目前比较流行的几种插补算法。（1）逐点比较法。每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每一步都要通过偏差函数计算，判断偏差函数的瞬时坐标同规定加工轨迹之间的偏差，然后决定下一步的进给方向。每个差补循环由偏差判断、进给、偏差函数计算和终点判别组成逐点比较法可以实现直线插补，圆弧插补和其他曲线插补；（2）数字积分法。它是脉冲增量插补的一种，它用数字积分的方法计算刀具沿各坐标轴的移动量，从而使刀具沿着设定的曲线运动。我们可用数字积分器，数字微分器等装置来实现数字积分插补计算；（3）时间分割法。其属于数据采样插补，分为粗插补和精插补。在实际中，上位机对获得的图形进行粗插补，上位机将采样发送给下位机，下位机对采用的微小直线段进行精插补。一般先根据加工指令中的进给速度F，计算出一个插补周期的轮廓步长L，及以插补周期为时间单位，将加工过程分割成许多个时间单位内的进给过程，以插补周期为时间单位，则时间单位内移动的路程就是速度，因此轮廓步长L与速度F相等。在进给过程中，对实际位置进行采样，与插补计算的坐标值进行比较，得出位置误差，位置误差将在下一个采样周期内修正，采样周期可以等于插补周期也可以小于插补周期。

2.1.3 直线插补。在对直线插补前要进行判断，如果直线属于直线段与Z轴平行、直线段与坐标轴夹角为45度或直线段与Y轴平行这3种情况之一，就直接执行相应算法。否则就要每插补完一个点后都要算出当前点与起始点构成的直线段的斜率。插补算法在对我们用图形软件设计出的各种形状规则和非规则的矢量图，都可以用直线进行插补。因为如果将任意矢量图形放大到足够大，它都是由很多微观首尾相连的直线组成的，所以对图形的插补就转换成了对这些直线的插补。

2.2 数据的传输与处理

2.2.1 DSP对数据的处理。当NCPLD-INT向DSP发送数据时，CPLD里收到PC104传来的数据后就会以外部中断信号，表示有数据传给DSP。可编程口的第4个管脚设置成外部中断模式，用来接受CPLD发来的中断信号。XSP从CPLD接收的数据包含的信息有：全局参数，标刻参数，红光点数据，不差校正参数等。DSP接受到这些数据后，首先会对数据进行校验。如果教验正确，DSP将对数据进行一系列处理包括插补、校正、红光等，然后处理后的点的坐标从2个SPORT口输出，分别经过1个DA转换器与2个DA转换芯片之间的通信，最后信号控制电机。如果校验错误，则会告知CPLD参数发送不成功。

2.2.2 HPI主机接口的数据传输。要通过HPI访问DSP的内部存储空间，必须要有HPI的寄存器。在HPI接口处的15个寄存器中，有9个是专用于DMA方式的。只有配置主机接口配置寄存器和主机接口直接访问页寄存器，才可以进行直接访问。而外部主机或者DSP自己可以通过配置这2个寄存器，来访问主机接口。

3 嵌入式软件设计

由于嵌入式模块具有体积小，功耗低的优点，很适合在较小的或恶劣的环境操作。在应用中，通常不能使用磁介质来运行应用程序和引导操作系统，应该使用半导体存储器代替软盘或磁盘驱动器来运行系统。在用固定盘启动系统前，首先要在固定盘中安装操作系统，用户可根据需要安装DOS或LINUX操作系统。固态盘的使用为用户的使用带来了极大的方便，用户在实际应用中，只需在STDUP设置环境中将系统启动盘定为固态盘，系统启动后便进入与普通PC机相同的DOS环境，用户只需将编译好的可执行文件传从到固定盘中即可。

4 实验结果与分析

通过研究嵌入式激光打标机运动控制卡软件系统的设计，了解了其与传统激光打标机的不同，具体有以下几个优点：（1）可以避免由于PC机中ISA总线插槽被淘汰而导致的供货短缺问题。随着市面上PC机的不断跟新还代，有的PC机已不配ISA插槽，而PC/104已经成为嵌入式领域的一个行业标准，不管哪家公司的PC/104模板，管脚都是兼容的；（2）嵌入式设计的控制系统接结构紧凑，实时性好，可靠性高，降低产品成本。因为嵌入式系统可以根据用户的需求，采用安装相应的软件和操作系统；（3）便于产品跟新还代。如果采用其他设计则在设计CPU的外围电路时，将会花费很多时间，增加了产品的开发周期。且由于芯片的设计若要升级换代，必须重新设计。

此外，通过DSP的高运算速度和强大浮点运算能力，对定时和中断服务程序及插补校正算法的不断优化，实现了令人满意的打标效果。

参考文献：

[1]冯涛，王程.可编程逻辑器件开发技术——MAX+ PLUSII PLUSII入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[2]辛建国，魏光辉.射频横向激励扩散冷却C02激光器技术的进展与前景[J].中国激光，1994（04）：25-27.

[3]武毅.新一代嵌入式工业控制计算机[J].沈阳工业大学学报，1997：88-90.

[4]吕京建，肖海桥.面向二十一世纪的嵌入式系统综述[J].电子质量，2001：10-13.

作者单位：达州市中心血站，四川达州 635000；达州市卫生局，四川达州 635000