DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運用

DSP和FPGA在大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)中的運用

激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運用于廣告業(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每次運動前、后設(shè)置加、減速區(qū)，但這會使加工數(shù)據(jù)總量成倍增加。除此之外，龐大的數(shù)據(jù)計算量也需要一個專門的高性能處理器來實現(xiàn)。

　　FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)在并行信號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是讓運動控制的處理部分以獨立的、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)軟件和運動控制軟件混雜性的問題。

　　當今國內(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，但是由于FPGA做復(fù)雜數(shù)學計算的能力有限，不能對復(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)雜圖形時還會明顯地影響加工速度。

　　本系統(tǒng)使用數(shù)字信號處理器DSP完成復(fù)雜的圖形分析計算，這樣既可以對復(fù)雜圖形做出全面的分析又不會喪失系統(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

　　激光加工系統(tǒng)主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統(tǒng)在控制工作頭做矢量運動的同時，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)進行往復(fù)掃描，以類似打印機的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統(tǒng)采用由計算機獲得圖形并傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結(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)由計算機通過以太網(wǎng)或并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數(shù)據(jù)按協(xié)議解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存儲器。在脫機加工階段，DSP將數(shù)據(jù)從FLASH存儲器重新讀出并進行處理、計算，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。在系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內(nèi)部的通訊模塊和單片機交換數(shù)據(jù)，獲取有關(guān)人機界面和諸如限位開關(guān)、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態(tài)。

　　加工信號預(yù)處理電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器和光電隔離器組成。它負責將FPGA輸出的加工信號進行處理后驅(qū)動步進電機和激光器。

2 DSP的軟件設(shè)計

　　2.1 加減速區(qū)的分析及計算

　　在待機階段，DSP將從計算機取得原始數(shù)據(jù)。在加工階段，DSP將對這些數(shù)據(jù)進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。對于大尺寸或高速運動平臺來說，電機的加、減速過程必不可少。由原理可知，兩圖所圍面積大小相等，即工作頭移動距離相等。

　　在以往的步進電機驅(qū)動算法的設(shè)計中，大多采用簡單的二次曲線進行速度擬合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運動平臺上并不能夠充分考慮到機械部件間的靜摩擦力和旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量等因素，其運行效果并不理想。

　　本系統(tǒng)在加、減速區(qū)的計算過程中，通過將速度和加速時間的關(guān)系與“S”形曲線進行擬合來得到加速區(qū)速度，通過將速度和減速時間的關(guān)系與反“S”形曲線進行擬合得到減速區(qū)速度。圖3為加、減速區(qū)速度-時間擬合曲線，曲線的斜率代表工作頭移動的加速度。從圖3可見，加、減速區(qū)所使用的擬合曲線并不相同，減速區(qū)曲線更為“陡峭”。這是由于減速過程中受機械系統(tǒng)摩擦力等因素的影響，電機負荷較小，可以承受更快的減速過程。使用“S”形曲線進行擬合的優(yōu)點主要有：

　　(1)電機從靜止狀態(tài)過渡到行進狀態(tài)的過程中，由于各機械部件之間存在靜摩擦力，可使電機較為平緩地啟動，避免了撞擊或丟步現(xiàn)象的發(fā)生。

　　(2)電機進入平穩(wěn)運行階段時，可以使用較大的加速度進行速度提升。但是，隨著速度的增加，電機的剩余功率將不斷減小，此時應(yīng)不斷減緩加速進程。

　　(3)電機從行進狀態(tài)過渡到靜止狀態(tài)的減速過程中，此種擬合方法可以使電機平穩(wěn)過渡，避免發(fā)生撞擊。

　　2.2 復(fù)雜圖形的分析

　　在一幅復(fù)雜圖形中往往存在很多不連續(xù)、不規(guī)則的矢量，如果每條矢量的末尾都減速到零，勢必會影響加工速度。所以，在分析此類圖形時要連帶分析當前矢量的前、后圖形情況，計算出各矢量的夾角以確定加工此矢量的初始速度及終止速度。表1為工作頭進行不同角度轉(zhuǎn)彎時的極限速度。

　3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計

　　從DSP的角度看，F(xiàn)PGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結(jié)果寫入此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類別數(shù)據(jù)并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術(shù)。

　　3.1數(shù)據(jù)并行讀取

　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器受限于處理器的單任務(wù)特性，通常采用單片大容量存儲單元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費多個讀取周期才能得到一組完整的數(shù)據(jù)。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統(tǒng)的設(shè)計形式，將不同類別數(shù)據(jù)存放于獨立的存儲單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得全部數(shù)據(jù)。運用這種方式可以在讀數(shù)時間最小化的同時簡化編程，也可以使整體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。

　　3.2 雙存儲器交替工作

　　市場上已有的同類FPGA產(chǎn)品大多采用寫入1條數(shù)據(jù)、執(zhí)行1條數(shù)據(jù)的工作方式，這將在數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生停頓。本系統(tǒng)雖然采用了存儲器作為加工數(shù)據(jù)的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數(shù)據(jù)時依然會造成加工停頓。

　　圖4為雙存儲器組結(jié)構(gòu)示意圖，當系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲器中的數(shù)據(jù)時，DSP可將計算結(jié)果寫入另一組存儲器。由于DSP的運算速度遠遠高于加工速度，所以雙存儲器架構(gòu)可以保證加工不被間斷。

　　圖5為FPGA加工程序流程圖?？梢姡诘刂穼R的前提下更換存儲器組需要改變存儲器組選擇信號并將地址計數(shù)器清零。此時，F(xiàn)PGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。

4 實驗結(jié)論

　　實驗中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺，X、Y軸步進電機采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉(zhuǎn)矩為2.2N.m，定位轉(zhuǎn)矩為700g.cm，電機接法采用并聯(lián)形式以突出高速性能。電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動經(jīng)減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運動，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周使工作頭移動24mm。

　　在實驗中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。

　　圖形文件由PC機軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機加工，在切割模式下，長矢量的加工速度可以平穩(wěn)超過20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/min。在對一幅含有超過13萬條矢量的復(fù)雜圖形連續(xù)加工5次后，無肉眼可分辨的位置偏差。

　　由于本系統(tǒng)采用了DSP進行圖形分析，使得系統(tǒng)對復(fù)雜圖形的處理能力得到了很大的提高。同時，F(xiàn)PGA內(nèi)部雙存儲器交替工作的結(jié)構(gòu)也從根本上解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中加工停頓的問題。實驗表明，本系統(tǒng)擁有加工速度快、圖形處理能力強、使用簡便可靠等優(yōu)點。