基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)

3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計

從DSP的角度看，FPGA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(fèi)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(yùn)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(dāng)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(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。可見，在地址對齊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(jìn)電機(jī)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(jī)接法采用并聯(lián)形式以突出高速性能。電機(jī)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(yùn)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(jī)軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機(jī)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(jìn)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(qiáng)、使用簡便可靠等優(yōu)點。