基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)

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。此種結構雖然可以簡化FPGA外部的電路設計，但是由于FPGA做復雜數(shù)學計算的能力有限，不能對復雜圖形尤其是不規(guī)則圖形做出全面的分析，導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完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復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內部采用了雙存儲器交替加工的結構，從根本上消除了相鄰數(shù)據(jù)間的加工停頓。

1 系統(tǒng)設計

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)域內進行往復掃描，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構。

圖1為系統(tǒng)的結構示意圖。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）內部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統(tǒng)運轉的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內部的通訊模塊和單片機交換數(shù)據(jù)，獲取有關人機界面和諸如限位開關、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態(tài)。

加工信號預處理電路主要由數(shù)模轉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動步進電機和激光器。