0 引言

振鏡掃描式激光標記技術就是通過控制兩片高速振鏡的偏轉角, 改變激光的傳播方向, 經(jīng)過F-Theata透鏡在工件表面的聚焦, 在工件表面作標記。與傳統(tǒng)的標記技術相比, 它具有適用面廣(對不同材料,、形狀的加工表面均適合) , 工件無機械變形, 無污染, 標記速度快, 重復性好, 自動化程度高等特點, 在工業(yè),、國防、科研等許多領域具有廣泛的用途,。高速高精度的振鏡標記已成為當今標記行業(yè)的發(fā)展方向,。

傳統(tǒng)的振鏡標記控制系統(tǒng)通過PC 機的串口、并口ISA 總線與單片控制板相連,，這種方式接口簡單,、連接方便, 開發(fā)費用低, 但由于傳輸速度低, 已不能滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的實時性" title="實時性">實時性要求。本文在激光標記控制技術方面進行了一些新的探索：利用PCI的高速數(shù)據(jù)傳輸和DSP" title="DSP">DSP高速數(shù)據(jù)處理能力,，提出一種“PC機+PCI總線+DSP控制板卡”的方式,，用于振鏡標記控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對標記控制的精確控制,，提高控制效率,，保障系統(tǒng)實時性。DSP控制板卡是整個系統(tǒng)的核心,，它直接決定著系統(tǒng)的掃描速度和掃描精度,，本文將著重介紹該控制板卡的設計。

1 DSP芯片

DSP控制板卡的主芯片選用德州儀器公司C6000系列的高速數(shù)據(jù)處理芯片TMS320C6205,。該芯片為高性能" title="高性能">高性能的定點處理器,，主頻可達200MHz，每個周期能執(zhí)行8條32-bit的指令,，處理速度可達1600MIPS,；采用高性能的VLIW結構的TMS320C62xTM DSP核，有8個獨立的功能單元,，32個32位的通用寄存器,；提供64K字節(jié)的內部程序RAM和64K字節(jié)的內部數(shù)據(jù)RAM；提供32位的外部存儲器無縫接口,，包括同步器件（如SDRAM,、SBSRAM等）、異步器件（如FLASH,、SRAM等）和可尋址52M字節(jié)的外部存儲空間,；提供靈活的PLL、時鐘產生器,，可配置倍頻值,；提供符合PCI 2.2規(guī)范的PCI總線接口,，直接實現(xiàn)芯片和PCI總線的橋接功能；提供兩個32位的定時器,；提供在線調試的JTAG邊界掃描接口,。采用此芯片，能夠實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理,，保證系統(tǒng)工作的實時性,，且由于帶了PCI橋接功能，提供了和PCI總線的接口,，經(jīng)濟可靠,。

2 硬件設計

2.1 結構框圖

如圖1所示為系統(tǒng)的硬件結構框圖。DSP控制板卡通過PCI總線與PC機連接,，實現(xiàn)高速通信。DSP處理模塊為主控制模塊,，使用主頻為200MHz的 TMS320C6205芯片作為主控制芯片,。DSP處理模塊充分利用了C6000系列DSP的快速計算能力和高精度定時器，能夠保證振鏡標記機進行勻速,、高速標記,，這些由PC機是沒有辦法做到的。DSP的外圍電路包括存儲模塊,、復位控制,、電源控制、時鐘系統(tǒng),、JTAG端口,、數(shù)模轉換" title="數(shù)模轉換">數(shù)模轉換模塊、CPLD邏輯控制模塊和光電隔離模塊等,。其中存儲模塊包括FLASH模塊和SDRAM模塊,，F(xiàn)LASH用來存儲系統(tǒng)啟動代碼和軟件代碼，SDRAM用于提供軟件運行時所需的額外存儲空間,。DSP控制板卡輸出兩路模擬量控制兩塊振鏡的運動,，輸出Q開關控制信號以控制激光器的開關光，輸入/輸出16路光電隔離信號用于功能擴展,。

 

2.2 PC機與DSP的通信

 PCI 總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線,。從結構上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線,，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理,，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖,，使之能支持10種外設,，并能在高時鐘頻率下保持高性能,。PCI總線也支持總線主控技術，允許智能設備在需要時取得總線控制權,，以加速數(shù)據(jù)傳送,。PCI總線相比起ISA總線，有傳輸速度快,，傳輸量大的優(yōu)點,。

 本系統(tǒng)選用TMS320C6205，該芯片自帶了符合PCI2.2規(guī)范的PCI總線橋接功能,，開發(fā)者免去了PCI協(xié)議的硬件和軟件實現(xiàn),，給系統(tǒng)設計帶來了便利，縮短了開發(fā)周期,，也節(jié)省了開發(fā)費用,。開發(fā)者只需將PCI插槽上的總線信號和DSP芯片上相關的PCI總線信號直接相連即可。帶“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC機的PCI卡槽中使用,，實現(xiàn)PC機與DSP之間的通信,。PCI設備可以訪問所有的內部RAM空間、外設和外部存儲器空間,。

DSP控制板卡使用的PCI總線寬度為32為（3.3V）,，總線頻率為33MHz，傳輸速率為33×32/4MB/s = 132MB/s ,。此傳輸速率為整個系統(tǒng)能實現(xiàn)高速運行提供了保障,。

2.3 CPLD邏輯控制

整個高速系統(tǒng)的邏輯控制是通過高速CPLD芯片來實現(xiàn)的。選用ALTERA公司的MAX7128E芯片實現(xiàn),，可用編程邏輯門為2500,，宏單元數(shù)128，邏輯陣列塊數(shù)8,，用戶可定義I/O腳100個,，pin-to-pin延時為5ns。MAX7000系列器件可以通過編程器進行編程,，也可以在線編程,。本設計采用了在線編程（ISP）。ISP允許在設計開發(fā)過程中迅速方便地重復編程,，簡化了制作過程,，允許器件在編程之前就先裝配到印制板上。

系統(tǒng)設計中LED信號燈,、FLASH,、DA芯片、16路I/O光電隔離接口、模擬開關,、Q開關,、PWM輸出、軟件復位控制都使用了CE1空間的地址,，為了防止這些器件的互相干擾,，必須對輸入地址進行譯碼。通過判斷輸入到CPLD的PA[2：6]和PA[16：21]可以知道DSP正在訪問的地址區(qū)域,，進行CE1空間的地址譯碼,，從而產生相應的控制信號，以實現(xiàn)邏輯控制和時序控制,。

CPLD上構建的寄存器的高地址都是一樣的,，命名為dsp_reg_addr，由Pa16~21構成,，若Pa16~21設置為"111000"即表示地址0x0178xxxx,。

低地址由Pa2~6構成，對10個寄存器尋址,，地址對應關系見表1所示,。

表 1地址分配表

 
2.4 數(shù)模轉換模塊

數(shù)模轉換模塊將DSP處理完的數(shù)字信號轉換為模擬信號以控制兩路振鏡的偏轉。由于現(xiàn)在對標記精度的要求越來越高,，傳統(tǒng)的8位數(shù)模轉換器已無法滿足用戶的需求，因此本系統(tǒng)選用ADI公司的16位高精度數(shù)模轉換器AD669芯片,，如圖2所示,。AD669為16位并行輸入，二級數(shù)據(jù)緩存結構,。設計中將/L1信號直接接地設置為有效,，通過控制/CS和LDAC信號分別控制一級緩存和二級緩存?？刂普耒R信號的電壓范圍為-10V～+10V,，以標記100mm×100mm幅面大小的標牌為例，精度可達100mm/216=0.0015mm,，對應最小輸出電壓為0.00031V,。
 


經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，在上電時,，AD669芯片的輸出為一不可控量,，會使振鏡在上電瞬間有一個偏轉，倘若偏轉幅度過大,，長期使用會導致振鏡的斷裂,。為了保護振鏡，可設計一個模擬開關電路以控制AD669芯片上電時的輸出，使其為0V,。筆者將模擬開關放在AD669芯片的參考電壓輸入端,，通過CPLD實現(xiàn)對模擬開關的控制，來控制參考電壓的有無,，從而保證在上電時振鏡不偏轉,。

3 PCB設計

該控制板卡選用主頻200MHz的高速DSP處理芯片，高速信號系統(tǒng)中,，存在EMC問題,，將影響系統(tǒng)的性能。為了設計出一塊穩(wěn)定,，抗干擾性能好的控制板卡,，采取了以下措施

1、板層的合理安排

該控制板卡為六層板,，板層設計為（從頂層到底層依次）信號層-地層-電源層-信號層-地層-信號層,。這樣的板層結構安排，使每一個信號層和電源層都緊鄰一個地層,，給信號提供一個較短的回流路徑,。

2、時鐘信號線的處理

PCI時鐘信號的一半要靠反射波來提升,，因此,，時鐘信號CLK走線長度近似為2500 mil，走蛇形線實現(xiàn)（此點在PCI2.2規(guī)范的走線要求中有明確規(guī)定）,。對于DSP芯片,，晶振電路盡量靠近DSP芯片，且時鐘信號盡量短,。

3,、SDRAM相關信號線的處理

SDRAM工作頻率為100MHz，在高頻下,，信號的傳輸時間和信號的走線長度有直接的關系,，已不能忽略此問題。因此SDRAM的數(shù)據(jù)線和地址線要等長走線,，以保證信號傳輸?shù)馁|量,。另外，串擾和振鈴問題在高頻下也極易出現(xiàn),，對SDRAM和DSP接口的控制信號和數(shù)據(jù),、地址總線信號，在源端串接匹配電阻以提高信號傳輸質量,，保證SDRAM在高頻下能正常工作,。

4、數(shù)模電路的隔離處理

控制板卡上有數(shù)字電路和模擬電路，在布局時,，必須考慮數(shù)模電路的隔離問題,，盡量將數(shù)字電路和模擬電路分塊布局，避免數(shù)字信號走線跨越模擬電路區(qū)域,，以防止兩塊電路間的相互干擾,。另外數(shù)字電路和模擬電路通過0歐電阻一點共地。

5,、電容的使用

在每個數(shù)字芯片的電源引腳旁邊放置一個1.01uF的去耦電容,。

4 總結

本系統(tǒng)將高速PCI總線與C6000高速DSP處理器相結合，配以高精度的數(shù)模轉換模塊,，實現(xiàn)了一套高速高精度的控制系統(tǒng),，并將其成功的運用到振鏡激光標記系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了DSP的高速處理能力和內部的高精度定時器,，分擔了PC機的實時性任務,，從而實現(xiàn)了PC機與DSP控制板卡的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了實時性標記,，保證了標記質量的均勻性,。本文還給出了DSP控制板卡在PCB設計階段的注意點，該板卡已在生產實際中投入使用,，具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾性,。