基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)解析

激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運(yùn)用于廣告業(yè)和航模制造業(yè)。在大尺寸激光加工系統(tǒng)的開發(fā)過程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問題。解決速度問題的一般方法是在電機(jī)每次運(yùn)動(dòng)前、后設(shè)置加、減速區(qū)，但這會(huì)使加工數(shù)據(jù)總量成倍增加。除此之外，龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算量也需要一個(gè)專門的高性能處理器來實(shí)現(xiàn)。
　　FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）在并行信號(hào)處理方面具有極大的優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用FPGA作為加工數(shù)據(jù)的執(zhí)行器件。這種解決方案突出的特點(diǎn)是讓運(yùn)動(dòng)控制的處理部分以獨(dú)立的、硬件性方式展開，增加系統(tǒng)的性能和可靠性，從而有效地解決了用單純的MCU或DSP系統(tǒng)處理的帶寬限制，以及用戶系統(tǒng)軟件和運(yùn)動(dòng)控制軟件混雜性的問題。
　　當(dāng)今國內(nèi)外市場上已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)類似的FPGA產(chǎn)品，這些產(chǎn)品大多使用FPGA完成從原始數(shù)據(jù)處理到執(zhí)行的全部工作。此種結(jié)構(gòu)雖然可以簡化FPGA外部的電路設(shè)計(jì)，但是由于FPGA做復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的能力有限，不能對(duì)復(fù)雜圖形尤其是不規(guī)則圖形做出全面的分析，導(dǎo)致加工速度無法進(jìn)一步提升。除此之外，這些產(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，造成了執(zhí)行相鄰兩條數(shù)據(jù)間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復(fù)雜圖形時(shí)還會(huì)明顯地影響加工速度。
　　本系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器DSP完成復(fù)雜的圖形分析計(jì)算，這樣既可以對(duì)復(fù)雜圖形做出全面的分析又不會(huì)喪失系統(tǒng)性能。除此之外，本系統(tǒng)還在FPGA內(nèi)部采用了雙存儲(chǔ)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(shè)計(jì)
　　激光加工系統(tǒng)主要是以切割、雕刻等工藝完成對(duì)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(yùn)動(dòng)的同時(shí)，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(jìn)行往復(fù)掃描，以類似打印機(jī)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(jì)算機(jī)獲得圖形并傳輸至下位機(jī)，由下位機(jī)保存圖形并脫機(jī)加工的結(jié)構(gòu)。
　　圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在數(shù)據(jù)傳輸階段，加工數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號(hào)為標(biāo)志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存儲(chǔ)器。在脫機(jī)加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲(chǔ)器重新讀出并進(jìn)行處理、計(jì)算，并將最終的加工數(shù)據(jù)輸入FPGA（EP1C6T144C8）內(nèi)部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號(hào)。在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的整個(gè)過程中，DSP還要通過建于FPGA內(nèi)部的通訊模塊和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，獲取有關(guān)人機(jī)界面和諸如限位開關(guān)、激光器散熱水泵等保護(hù)器件的工作狀態(tài)。
　　
　　加工信號(hào)預(yù)處理電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光電隔離器組成。它負(fù)責(zé)將FPGA輸出的加工信號(hào)進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和激光器。
　　2 DSP的軟件設(shè)計(jì)
　　2.1 加減速區(qū)的分析及計(jì)算
　　在待機(jī)階段，DSP將從計(jì)算機(jī)取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并合理分配加、減速區(qū)域。圖2為加、減速區(qū)示意圖。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(duì)于大尺寸或高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來說，電機(jī)的加、減速過程必不可少。由原理可知，兩圖所圍面積大小相等，即工作頭移動(dòng)距離相等。
　　
　　在以往的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法的設(shè)計(jì)中，大多采用簡單的二次曲線進(jìn)行速度擬合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上并不能夠充分考慮到機(jī)械部件間的靜摩擦力和旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，其運(yùn)行效果并不理想。