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1、 引言

由于激光具有優(yōu)異的單色性、相干性、方向性，同時(shí)具有很高的能量密度，因此廣泛應(yīng)用于材料加工。隨著物品打標(biāo)過程中對防偽、精度、環(huán)保等方面的需求日益提高，激光標(biāo)刻設(shè)備，特別是激光飛動(dòng)標(biāo)刻設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛^[1]。

    本文主要對標(biāo)刻設(shè)備中控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。著重分析了基于PCI的控制卡的電路設(shè)計(jì)、WDM驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)測試環(huán)境的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，同時(shí)對標(biāo)刻軟件的主要功能進(jìn)行了介紹，最后對板卡的部分功能進(jìn)行了測試分析。該控制系統(tǒng)具有4路12位DA輸出、3路16位計(jì)數(shù)器、4路DI/DO、1路IP軟核控制的PWM激光功率控制輸出功能。系統(tǒng)在應(yīng)用中性能穩(wěn)定，功能完備，使用簡便，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

2、 系統(tǒng)控制卡設(shè)計(jì)

    激光標(biāo)刻系統(tǒng)控制卡是整個(gè)控制系統(tǒng)的中樞，連接著控制軟件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)方案中控制卡電路包括PCI總線接口控制電路、本地邏輯控制、功能模塊三部分。控制卡總體結(jié)構(gòu)如圖1。

    其中本地邏輯控制中組合邏輯模塊用于本地控制信號(hào)的邏輯控制；數(shù)據(jù)交換模塊為數(shù)據(jù)緩存器，對部分控制信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、變換；特征信息存儲(chǔ)模塊用于保存系統(tǒng)某些特征配置信息，與軟件配合實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的特征識(shí)別及安全控制。在本系統(tǒng)中將本地邏輯控制及部分IP軟核實(shí)現(xiàn)的功能均集成于ALTERA的CPLD控制器EPM7064中，可在線編程擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

2.1 PCI接口設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用PLX公司PCI總線控制芯片PCI9052作為接口芯片^[2]，其E²PROOM配置芯片為HT93LC46。接口芯片的使用簡化了總線邏輯的處理，使工作集中在本地邏輯設(shè)計(jì)中，同時(shí)提高系統(tǒng)得穩(wěn)定性及容錯(cuò)能力。

    采用CPLD器件將本地邏輯的處理及控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能集于一身，減少了分離器件的使用，簡化了PCB布線，同時(shí)使系統(tǒng)模塊化程度大大提高，利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。利用CPLD的在線編程的優(yōu)點(diǎn)，將系統(tǒng)得特征信息存儲(chǔ)其中，與軟件配合就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件加密。同時(shí)CPLD器件自身也具有加密功能，可有效提高系統(tǒng)的安全性。

2.2 IP軟核設(shè)計(jì)

    CPLD的應(yīng)用使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置靈活，可根據(jù)整體需要設(shè)計(jì)IP軟核，在實(shí)現(xiàn)同等功能條件下節(jié)約板載資源。系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)PWM控制器，用于實(shí)現(xiàn)激光功率調(diào)制。8位的控制精度實(shí)現(xiàn)占空比0~1的256級調(diào)節(jié)。該部分采用ALTERA公司的硬件編程語言AHDL設(shè)計(jì)^[3]，根據(jù)激光功率的需要實(shí)現(xiàn)基頻為4K脈寬調(diào)制波輸出。

    其中Load為控制數(shù)據(jù)載入控制端，在該信號(hào)有效時(shí)將8位控制數(shù)據(jù)IN[7..0]載入內(nèi)部控制寄存器。EN信號(hào)為輸出有效信號(hào)，用于控制PWM輸出，當(dāng)該信號(hào)有效時(shí)，PWM輸出。LCLKIN信號(hào)為IP軟核的工作頻率，PWM輸出的基頻是由該信號(hào)分頻而得出的。軟核內(nèi)部控制語句如下，其中PWMDATA為PWM波輸出的控制邏輯，當(dāng)其輸出為高電平時(shí)，輸出進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

IF(Load) THEN                           %當(dāng)載入新控制數(shù)據(jù)時(shí)，PWM重新輸出%

       PDataB[].d=0;

       PWMRe.d=GND;

       PWMDATA=VCC;                         %輸出跳變%

    ELSE

    IF (EN) THEN                             %當(dāng)PWM輸出有效%

    IF (PDataB[7..0].q==PDataH[7..0] OR PDataB[7..0].q==255) THEN  

            PWMDATA=VCC;                    %當(dāng)PWM輸出跳變%

        ELSE  PWMDATA=GND;

        END IF;

        PDataB[].d=PDataB[].q+1;

        PWMRe.d=!PWMRe.q;  

    ELSE                                    %當(dāng)PWM輸出無效%

        PDataB[].d=0;

        PWMRe.d=GND;   

        PWMDATA=VCC;                         %輸出跳變?yōu)榈?SPAN lang=EN-US>%  

    END IF;

    END IF;

    最后，對PWM的輸出線性度進(jìn)行了測試如圖4 ，圖中橫軸為控制數(shù)據(jù)，范圍為0~255，縱軸為占空比為百分比值。由測試數(shù)據(jù)可以看出，采用此調(diào)節(jié)方法系統(tǒng)線性度好，控制有效，能實(shí)現(xiàn)精確的控制。相比采用PWM控制器件TL494實(shí)現(xiàn)脈寬控制方式，線路設(shè)計(jì)簡單，節(jié)省一路DA控制信號(hào)及多個(gè)調(diào)節(jié)電阻電容類元件。

2.2 WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)

    WDM驅(qū)動(dòng)程序模型支持即插即用（PnP），電源管理、Windows管理接口等功能。在Windows2000以后的操作系統(tǒng)中，引入這一技術(shù)，將其作為應(yīng)用程序與硬件系統(tǒng)的聯(lián)系紐帶，取消應(yīng)用程序?qū)τ布闹苯硬僮鳎瑯O大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性。因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，對WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了開發(fā)。WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的文章較多^[4]，本文從軟硬件結(jié)合的角度對其中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行探討。

    操作系統(tǒng)通過對PCI插槽的掃描獲取控制卡的相關(guān)信息，并進(jìn)行相應(yīng)的配置。WDM驅(qū)動(dòng)程序通過Device ID及Vendor ID與卡進(jìn)行通訊，PLX公司的默認(rèn)配置參數(shù)為5201、10B5，在板卡調(diào)試階段可用此配置，就可安裝其提供的測試驅(qū)動(dòng)及板卡調(diào)試程序PLXMON對板卡的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步測試。

    WDM程序通過ID發(fā)現(xiàn)板卡后就可以獲取系統(tǒng)分配給板卡相關(guān)資源信息，主要是地址空間包括內(nèi)存地址空間和I/O空間兩種，本設(shè)計(jì)中根據(jù)需要映射了1k內(nèi)存空間及32個(gè)IO空間。通過對相關(guān)資源的操作即可實(shí)現(xiàn)對板卡的控制。DWM驅(qū)動(dòng)程序還需為應(yīng)用程序提供相關(guān)的控制接口，應(yīng)用程序就可通過WINDOWS標(biāo)準(zhǔn)的CreateFile函數(shù)打開設(shè)備，調(diào)用READ，WRITE語句及相應(yīng)參數(shù)對硬件進(jìn)行控制。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    針對板卡的調(diào)試及實(shí)際激光標(biāo)刻系統(tǒng)的應(yīng)用，分別開發(fā)了板卡功能測試軟件及基于點(diǎn)陣和矢量的標(biāo)刻軟件系統(tǒng)。

    板卡功能測試軟件能完成對板卡所有功能的測試。可選擇PCI類型設(shè)備，對PCI卡進(jìn)行操作。

    提供通道選擇功能用于DA控制輸出的測試，系統(tǒng)選用模擬其間公司12位DA控制器件AD7847作為關(guān)鍵器件，實(shí)現(xiàn)-5~+5伏及0~10伏模擬電壓輸出，DA線性度測試結(jié)果如圖6。

    其中橫軸為控制數(shù)據(jù)，12位DA轉(zhuǎn)換控制數(shù)據(jù)為0至4095，模擬輸出范圍為-5伏至+5伏。通過測試軟件的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率同時(shí)可分開對各模塊的實(shí)際效能進(jìn)行測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的不足，使系統(tǒng)在實(shí)際標(biāo)刻過程中更穩(wěn)定。

    激光標(biāo)刻軟件系統(tǒng)可方便地編輯單線體文字、TTF文字、日期、時(shí)間、序列號(hào)。可自動(dòng)進(jìn)行圖形對齊、圓形排版功能，可以用鼠標(biāo)繪制圖形，可方便地導(dǎo)入PLT圖形文件，以及從BMP圖象提取圖形輪廓。，它在不影響生產(chǎn)線正常運(yùn)作的情況下實(shí)現(xiàn)流水生產(chǎn)線上產(chǎn)品的激光在線標(biāo)刻，從而大大提高生產(chǎn)效率。標(biāo)刻速度范圍達(dá)到0-60米/分或1-20標(biāo)/秒（依標(biāo)刻內(nèi)容而定）。

    系統(tǒng)可方便修改標(biāo)刻內(nèi)容，設(shè)置標(biāo)刻功率大小、速度快慢等控制參數(shù)。標(biāo)刻線條流暢，深淺自如.用戶還可設(shè)計(jì)特殊的防偽碼，因?yàn)椴捎昧藬?shù)據(jù)加密技術(shù)，不同的用戶即使都擁有標(biāo)刻系統(tǒng)，也不能標(biāo)刻完全一樣的內(nèi)容，使得系統(tǒng)具備良好的防偽標(biāo)刻功能。系統(tǒng)標(biāo)刻的實(shí)際標(biāo)刻效果如圖7 。

4、 總結(jié)與展望

    基于計(jì)算機(jī)PCI總線規(guī)范的激光標(biāo)刻控制系統(tǒng)，提高了標(biāo)刻速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)對不同生產(chǎn)線的適應(yīng)能力；設(shè)計(jì)開發(fā)了我indows2000及xp下的WDM驅(qū)動(dòng)程序，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了誤操作造成的系統(tǒng)死機(jī)、藍(lán)屏等現(xiàn)象；采用CPLD軟核設(shè)計(jì)方式，提高系統(tǒng)的的靈活性；各種配套軟件的開發(fā)，極大的縮短系統(tǒng)制造周期。

 

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣毅，周宏，蔣明，陳曉. 基于PC的激光標(biāo)刻系統(tǒng)控制卡設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2004（6）：544-546.　

[2] PLX Technology. PCI9052 Data Book[M]. 2001, 9.

[3] 李國麗. 用PLD芯片和AHDL語言進(jìn)行交通燈控制器設(shè)計(jì)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2002(04):545-548.

[4] 袁魏華，季鵬，喬衛(wèi)民.基于WDM模型的PCI卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)[J].2005(02):537-539.