基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计_汪再兴(精)

·61·

0 引言

FPGA(Field—programmable Gate Array即现场可编程门阵列。它作为专用集成电路(ASIC领域中的一种半定制电路而出现,既有门阵列器件的高度集成和通用性,又有可编程逻辑器件的用户可编程的灵活性 [1]。基于FPGA的系统设计,采用原理图和verilog相结合的设计方案,具有方案灵活可靠的特点。激光振镜打标技术就是通过控制振镜的两片高速镜片的偏转, 改变激光的传播方向, 经过凸透镜在工件表面的聚焦, 从而在工件上打上标记的技术 [2]。与传统的标记技术相比, 它具有适用面广(对不同材料、形状的加工表面均适合, 工件无机械变形, 无污染, 标记速度快, 重复性好, 自动化程度高等特点, 在工业、国防、科研等许多领域具有广泛的用途。激光振镜打标机主要由激光发生器及其控制振镜、振镜伺服电机、编码器、聚焦凸透镜等组成 [3](如图1。本文通过采用Altera的 Cyclone II系列的

EP2C70F895C6N芯片为主控制芯片,实现了

对振镜打标记控制的系统。

图1 激光振镜打标机组成

1 顶层设计

激光打标机是通过激光的强弱来控制所打标记的清晰度, 通过编码器来反馈振镜的当前位置,通过控制振镜的伺服电机来控制振镜的角度 [4],从而来控制激光的打标位置。编码器的

接口图如图2所示。

图2 编码器接口

Vcc是为编码器提供+5V电压的电源线。 GND是与Vcc相对应的+5V电源线的地线。

SIG A+、SIG A-、SIG B+、SIG B-是编码器的两组正交信号线。

SIG Z+、SIG Z-是编码器的一组零位信号线。

PC机与主控制板通过DB9口相连接,由PC机做出测试软件,设计出需要打标的图案,并通过处理将打标参数传递给主

控芯片。DB9的接口连接图如下图3所示:

图3 DB9接口

基于FPGA的激光振镜打标控制系统设计

汪再兴,朱永谦,王紫婷

(兰州交通大学甘肃,兰州

摘要:介绍一种基于FPGA设计的激光振镜打标系统,采用verilog语言对其进行描述,并通过串口与PC机相连接, 用EP2C70F895C5N芯片控制激光打标机打标,最后制作出电路板并进行实验验证。

关键词:FPGA;激光振镜;打标;verilog

Abstract: A laser vibration mirror marking system based on the the design of FPGA is introduced. To describe it by using verilog language, to connect serial port with PC and to mark it via EP2C70F895C5N chip which controls laser marking machine. Finally a circuit board is produced and an experimental is carried out to verify it.

Keywords: FPGA; Laser vibration mirror; Marking; verilog

中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1001-9227(2012-06-0061-03

收稿日期:2012-作者简介:汪再兴,博士,副教授,研究专业:FPGA,工作单位:兰州交通大学电子与信息工程学院

兰州交通大学创业项目资助。

·62·

2 模块设计

图4为激光打标机控制板设计框图,从图中可以看到该控制

器由差分电路模块、数模转换模块和主控模块3个子模块组成。

图4 激光打标机控制板设计框图

2.1 差分电路模块

用于连接主控芯片与编码器,将编码器传回信号通过处理后传回到主控芯片,然后对振镜当前位置进行。本设计中采用

AM26LS32做为差分芯片,连接图如下图5所示:

图5 差分模块电路连接图

2.2 数模转换模块

数模转换模块的作用是将由主控芯片发出的控制数字信号通过该模块转换为模拟信号,从而控制激光振镜的伺服电机驱

动振镜运动。其电路连接图如下图6所示:

图6 数模转换模块电路连接图

2.3 主控模块

主控模块由主控芯片及其外围的时钟、复位、电源等部分组成。它的主控制芯片从PC机通过DB9接口接收需打标图形的参数,然后经主控芯片处理后在控制达标过程完成打标。主控

制模块的状态转换图如下图7所示:

图7 主控制模块的状态转换图

当主控板接收到来自PC机的命令后,先分析命令类型,若为开始打标命令,则接着接收传送而来的打标参数,运用矢量法进行打标;在此过程中根据打标参数调整X、Y振镜的位置, 将位置参数与编码器传送来的反馈信号SIG A、SIG B相比较, 当确定X、Y的振镜位置是所需打标位置时,控制Laser的电平

为高,从而使激光发生器产生激光,并进行打标。若为暂停打标命令,则设置暂停打标标志,控制Laser的电平为低即停止打标。若为终止打标命令,则设置终止打标标志,触发标记图形结束线程,即控制Laser的电平,调整X、Y振镜的位置与SIG

Z相同。其软件流程如下图8所示:

图8 主控芯片的软件流程图

3 实验与验证

将设计文件laser.sof下载到电路板上。PC机通过串口与

(下转第65页

·65·

电源控制电路。所谓模块电源控制电路就是通过三极管的开关特性来做一个开关电路,并用单片机IO口控制其通断从而达到控制模块电源通断的效果。这样系统就可以在模块未用到的时候关闭这部分电路从而达到降低功耗的作用。 4 软件设计