用于激光雕刻领域的运动控制卡相关研析

　　一、引言

　　随着光电子技术的飞速发展，激光雕刻技术应用范围越来越广泛，雕刻精度要求越来越高。体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素：第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术;第二是激光设备加工的机械、控制系统等，即激光加工设备;第三是激光加工工艺水平。因为激光器技术已经是很成熟的技术，所以能否对激光设备进行有效的控制以及激光的加工工艺水平成为激光雕刻技术应用的瓶颈。

　　目前，国内专门生产激光雕刻设备的厂家很多，他们竞争已由激光器技术转向对激光设备和加工工艺的有效控制，能否有效解决如下问题：三维图形多轴联动、高速激光扫描和快速推进引起的振动、扫描幅面大小和扫描精度、激光的同步扫描和往复扫描错位、复杂算法和规则图形插补问题等，已经成为竞争的关键。

　　二、基于DSP和FPGA的设计

　　针对上述各种问题，结合多年运动控制的经验，我们设计了基于资源丰富的FPGA和功能强大的DSP的运动控制卡——MPC03，在激光雕刻调试中，成功的解决了上述各种问题。 、

　　1、MPC03卡简介

　　⑴ DSP从主机接收运动指令或运动指令块，并把从主机读取的大量图形数据实时的写入FPGA的RAM区，并向主机发送运行状态：位置、I/O状态等;

　　⑵ FPGA芯片根据接收的指令，完成多轴电机的运动控制(二维图形为两轴，三维图形为三轴)：位置、速度、插补、PID调节等;

　　⑶ 在运动过程中，FPGA同步读取RAM区的图形数据，根据不同的‘0’或‘1’状态，实时地 决定是否开关光，而且并行处理与运动有关的外部I/O信号和通用I/O信号。

　　⑷ MPC03卡性能指标如下：

　　最高脉冲输出频率FH：15MHz

　　脉冲输出频率范围F：0.002～15,000,000 Hz

　　最小分辨率Mmin ：0.002

　　脉冲频率设置步长R ：1～8191

　　定位脉冲数范围R0 ：0～4,294,967,295

　　自动降速点设置范围R6 ：0～4,294,967,295

　　增减计数器设置范围R10：0～4,294,967,295

　　2.MPC03卡设计和功能实现

　　⑴ 硬件电路设计

　　在MPC03卡中主要有DSP、FPGA两个功能芯片，在DSP周围扩展了多个FLASH和SRAM来存储程序和数据，每两个FLASH和SRAM可以共用一个片选信号CS，组成高低双字32位数据总线进行读写，可以提高DSP与MEMORY的通信速度，同时为FPGA配置了一个EPROM来存储下载的程序。连接DSP局部总线和PCI接口的芯片是PCI总线控制器(PCI桥)，它包含了一个128KBit的双口共享存储器，来实现DSP局部总线和PCI系统总线的数据交换，另外为其配置了一个EEPROM来存储数据，同时本卡顺应了即插即用接口设计趋势，扩展了USB接口。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低电压操作，I/O信号电压是3.3V，而内核电压是1.8V，所以配置了能同时输出3.3V和1.8V两种电压的电压调整器。请参照MPC03卡逻辑结构图。