（信号与信息处理专业论文）基于fpga的高速工业标记控制系统的设计实现.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在工业领域中，经常需要在产品表面留下永久性的标识，通常作为便于今后 追踪的商标、流水号、日期等等。特别在机械行业对零部件的管理，在市场上需 要对其进行识别和质量跟踪。机械行业在零部件上的标记打印在追求美观的同时， 要求有一定的打印速度和打印深度。标记打印能够为企业提供产品的可追溯性， 更好的贯彻i s 0 9 0 0 0 标准。 由于传统的标记打印在打印效率、美观以及防伪等方面存在问题，不适应现 代化大生产要求，而激光打印技术虽然较好的克服了传统工艺的许多缺点，但激 光器在恶劣的生成现场缺乏长期稳定性的工作特点的制约，不能完全满足生产实 际的需要。为了弥补上述不足，适应大批量生产发展需要，气动标记打印技术成 为一种较好的选择。 本课题在分析了现在市场上存在气动标记刻印系统的优缺点后，针对现有的 标记打印机打印速度相对较慢，打印精度相对较低以及控制软件不灵活的缺点， 设计了一套新的控制方案，使用f p g a 作为核心控制器，配合p c 机标记打印软件 工作，代替以往p c 或单片机的控制。该方案充分利用了f p g a 可以高速并行工作 的特点，能够高精度平稳的输出控制脉冲，使打印过程平稳进行。 本文描述了从总体方案设计到一些关键模块的设计思路和设计细节。根据设 计要求，总体方案中提出了整个控制系统的划分和关键设计指标上的考虑。在硬 件设计方面完成硬件电路设计，包括接口电路设计和抗干扰设计；在设计f p g a 控制器时，采用了优化后的比较积分直线插孙算法使得输出的插补脉冲均匀稳定： 采用梯形速率控制算法，克服了速度突变情况时的失步或过冲现象；在软件方面， 新开发了一套p c 工业标记系统软件，采用了多线程技术和t t f 矢量字库等技术。 整套标记打印系统经过较长时间的运行调试，表现稳定，现已经试用性投放市 场从生产厂家重庆恒伟精密机械有限公司和客户的反馈信息来看，系统工作稳定， 打印速度达到设计指标，能够在2 5 6 细分下驱动电机平稳快速运动，打印精度高， 达到市场领先水平，并且得到客户充分的肯定。 关键词：标记打印机，f p g a ，插补算法，梯形速率控制，t t f 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i ni n d u s t r i a la r e a s ，i no r d e rt ot r a c et h ep r o d u c t s ，w e a l w a y sm a k es o m e p e r m a n e n tm a r k so nt h ep r o d u c t s ，s u c ha st r a d e m a r k s ，s e r i a ln u m b e r s ，p r o d u c t i o n d a t ea n ds oo n e s p e c i a l l yi 1 1m a c h i n e r yi n d u s t r ya r e a , t h em a n a g i n gm e c h a n i c a lp a r t s n e e dt ob er e c o g n i z e da n dt r a c e do nt h eq u a l i t y b e s i d e st h eg r a c e f u la p p e a r a n c e ，w e a l s or e q u i r et h em a r k i n gc e l e r i t ya n dm a r k i n gd e p t ho ft h em a r k so np a r t s ，t h em a r k s c a l l p r o v i d et h e i n f o r m a t i o nt ot r a c et h ep r o d u c t sa n di m p l e m e n tt h ei s 0 9 0 0 0 s t a n d a r db e t t e r b e c a u s eo ft r a d i t i o n a lm a r k i n gh a v es o m ep r o b l e m si np r i n te f f i c i e n c y , a p p e a r a n c ea n ds e c u r i t y , i td o e s n ta d a p tt ot h em o d e r n i z e dp r o d u c t i o n t h o u g h tt h e l a s e r p r i n t e rs o l v e st h ep r o b l e m sa b o v e ，i tc a n ts u i tt h ea c t u a lp r o d u c t i o na si tc a n t a d a p tt ot h ep o o rp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n ta n dl a c ko fs t a b i l i t y i no r d e rt oa d a p tt h e m a s sp r o d u c t i o n , t h ep n e m n a t i em a r k e rt e c h n o l o g ya p p e a r e d t h et r a d i t i o n a lp n e u m a t i cm a r k i n gs y s t e m sh a v ep r o b l e m si np r i n ts p e e d p r e c i s i o na n ds o f t w a r e t h i sa r t i c l ep r e s e n t san e wc o n t r o ls y s t e md e s i g nt o s o l v e t h e s ep r o b l e m s w eu s ef p g aa st h ec o r ec o n t r o l l e rt ow o r ka l o n gw i t ht h es o f t w a r e o fm a r k i n gs y s t e mi n s t e a do ft h ep co rs c ma st h ec o n t r o l l e rt or e p l a c et h ef o r m e r c o n t r o l l e r t h i sc o n t r o ls y s t e mf u l l yu t i l i z e dt h eh i 曲s p e e da n dp a r a l l e lp e r f o r m a n c e o ft h ef p g aa n dc a l lo u t p u th i 曲p r e c i s i o np u l s et om a k et h ep r i n tp r o c e s sm o r e s t e a d ya n dr a p i d t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ed e s i g ni d e a sa n dd e t a i l so ft h ei m p o r t a n tm o d u l e si n t h ec o n t r o ls y s t e m t h et o ps c h e m er e a l i z e dt h ed i v i s i o no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m a n dm a d eac o n s i d e r a t i o no ft h ec r i t i c a ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n i nt h eh a r d w a r ed e s i g n , t h ei n t e r f a c ec i r c u i ta n da n t i - j a m m i n gd e s i g na r ei n t r o d u c e d t h eo p t i m i z e d i m e g r a t i o no fl i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dt r a p e z i ar a t ec o n t r o la l g o r i t h ma l e u s e dt oi n l p l e m e n tt h ef p g ac o n t r o l l e r t h ef o r m e rm a k e st h eo u t p u tp u l s em o r e s m o o t ha n dt h el a t t e ro v e r c o m e st h em u t a t i o nr a t eo fo u t - o f - s t e po re ? x c e s s p h e n o m e n a w t u l ei nt h es o f t w a r ed e s i g n ，w ed e v e l o p e dan e wm a r k i n gs o f t w a r e n a m e dv g sw i t hm u l t i t h r e a d i n ga n dv e c t o rf o n tt e c h n o l o g y a f t e rl o n gt i m er u n n i n ga n dd e b u g g i n g , t h em a r k i n gs y s t e mh a sas t a b l e p e r f o r m a n c ea n dh a sb e e np u to nt h em a r k e tp r o b a t i o n a r y t h ef e e d b a c ki n f o r m a t i o n f r o mp r o d u c e rc h o n g q i n gh e n g w e ip r e c i s i o nm a c h i n e r yl t d a n dt h eu s e r si n d i c a t e s i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 t h a tt h es y s t e mw o r k i n gs t a b l y , t h em a r k i n gs p e e dh a sm e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s i t a l s oc a nd r i v et h es t e pm o t o r w o r k i n g f a s ta n dh a sa p r e c i s i o na t2 5 6s u b d i v i s i o n n l e m a r k i n gs y s t e mh a sa c h i e v e dl e a d m go ft h em a r k e ta n dh a sb e e nw e l lr e c e i v e db y u s e r s k e y w o r d s ：p n e u m a t i cm a r k i n gp r i n t e r , f p g a ，i n t e r p o l a t i o n ，t r a p e z i ar a t ec o n t r o l ， t r f 1 1 t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名； 屡厥签字日期：o o 年f 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：下夸形乙 签字日期：如d 1 年f 月弓1 日 巳 ，夕 月 a ： r巾 年 电 q j o 、，、 名 期 签 旧 雕 字 影 签 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 工业标记系统的研究意义 在工业领域中，经常需要通过物理或化学的方法在产品表面留下永久性的标 识，通常作为便于今后追踪的商标、流水号、日期等等。特别在机械行业对零部 件的管理，在市场上需要对其进行识别和质量跟踪。机械行业在零部件上的标记 打印在美观的同时，要求有一定的打印速度和打印深度。尽管标记质量的好坏不 会影响零部件的机械性能及使用寿命，但作为产品综合质量管理的一个方面不容 忽视，尤其在竞争激烈的市场经济条件下，企业要实现名牌战略，必须重视产品 的质量管理。标记打印能够给企业提供产品的可追溯性，更好的贯彻i s 0 9 0 0 0 标 准，提升企业形象【l 】f 2 】。 传统的标记打印方法主要有以下三种： 字模压印标记机 字模压印标记机出现较早，其原理类似于铅字印刷。主要是经高频淬火热处 理的合金钢字模在外力的作用下，在金属标牌上可以刻印出有一定深度的文字和 简单图案。该方法精度不高，需要的外力较大，容易破坏金属表面的平整度。 金属电印标记机 金属电印标记机同原理的还有电腐蚀、化学腐蚀标记机。这种技术是一种比 较精美的打印标记方法。该技术气源于国外，在上世纪9 0 年代由美国、德国和日 本三家生成厂商引入中国市场。此种方法的工作原理是：利用低电压在打标液体 的帮助下，使金属表面全局离子化，几乎可以在任何导电的金属表面印上永不脱 落的任意图案或文字。标记颜色里黑色或白色，精度高，不会破坏工件平整度。 打印出的标记耐高温和腐蚀。但该方法也存在一定的不足，如打印深度较浅，并 且只能在表面导电的金属上进行标记打印。另外，电印打标机需要使用模板、打 标液等耗材，其使用成本不低，这些都限制了它的应用。 激光标记打印机 激光标记打印机从9 5 年开始出现，在近几年发展相当的迅速，占据了一定的 市场份额。它是一种非接触、无污染、无磨损的标记工艺。其原理是利用高能量 密度的激光束对目标作用，使目标表面发生物力或化学变化，从而获得可见的图 案。高能量的激光束聚焦在材料表面，使材料迅速汽化形成凹坑，随着激光束在 材料表面有规律地移动同时控制激光的通断，激光束就在材料表面加工成一个指 定的图案。这类打印机的特点是标记速度快，字迹清晰、永久，采用非接触式的 加工，污染小，无磨损，稳定性好，噪音低。但该工艺技术较复杂，成本相对较 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高。 传统的产品标记打印，一般多是采用字模冲压、电化学腐蚀、电火花加工和 激光打印技术。由于传统的标记打印在打印效率、美观以及防伪等方面存在问题， 不适应现代化大生产要求，而激光打印技术虽然较好的克服了传统工艺的许多缺 点，但激光器寿命低，在恶劣的生成现场缺乏长期稳定性的工作特点的制约，不 能完全满足生产实际的需要 3 1 。为了弥补上述不足，适应大批量生产发展需要，气 动标记打印工艺就是一种较好的选择。相比较而言，气动和电动想结合的方式由 于结构简单，成本低，可控性好，速度快，特别适合于对标记速度有较严格的流 水线作业场合，并能方便地控制标记内容的深度。随着电子工业与计算机技术的 快速发展，数字控制技术越来越成熟，数控设备的优势得以体现，这使得气动标 记机有了较大的发展空间。 气动打标主要指区别于用传统标记方法( 如丝网印刷) 。它又称为气动打码、针 式打标、电脑标识机等等( 如图1 1 ) 。 图1 1 气动标记机实物 f i g1 1p n e u m a t i cm a r kp r i n t e r 它能够提高产品档次、树立品牌形象，并具有一定的防伪作用，这是执行质 量体系关于“产品标识及可追溯性”要求的重要工具。另一方面，打标系统也是传统 标识手段的代替品，操作简单，自动化程度高，效率高，使企业形象得以提升。 其基本的工作原理是计算机控制驱动电机，带动打印针按字符或图形笔画轨迹运 动的同时，打印针在压缩空气作用下高频冲击工件表面，从而形成由密集点阵组 成的字符或图形。气动打标的特点是精美、永恒。因此，工业打标机对产品进行 标识已经被大量企业所接受，并已成为现代企业的必备设备之一。气动打标机是 集计算机、机械、电气于一体的精密设备。一套完整的气动打标机由计算机、专 用控制软件、专用控制箱、打印执行机构四部分组成。其中，专用控制软件和专 用控制箱是整套系统的核心，打印效果的美观程度以及设备的稳定性主要取决于 此。因此，成熟的核心控制技术是打标机稳定运作的根本保障。本课题使用了成 熟的f p g a 技术，将控制核心算法放在了f p g a 中，利用其可进行并行执行的高 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 速特点，使打印控制系统的性能有较大提高。 1 2 工业标记刻印系统的现状和发展方向 国外情况：从1 9 8 8 年之后，这工艺便在一些西方国家相继采用，特别是在汽 车摩托车行业得到迅速推广。像美、日、意、德、等国的通用、福特、克莱斯勒、 本田、丰田、菲亚特、奔驰、标志、雪铁龙、雅马哈等汽车、摩托车制造厂，均 都大量采用。 国内情况：气动标记打印机最早由一家法国公司引入国内，目前在国内工业 标记市场上占主导地位。气动标记打印系统在国内发展了1 0 多年，研究和生产商 也多，如重庆的恒伟、华普，上海的子林机电等。目前，中国一汽集团、天津夏 利、神龙富康、中国嘉陵工业公司( 集团) 、中国建设工业( 集团) 公司、中国轻骑集 团、上海易初摩托车有限公司、华日集团、长安铃木汽车有限公司、庆铃汽车股 份有限公司等已普遍使用了气动工业标记打印机【4 】。因此，气动打标机有着广泛的 市场前景。 随着现代加工技术的飞速发展，零件表面的加工已经达到了相当高的水平， 这对工业标记技术提出了更高的要求，设计出具有模块化、高精度、高效率、高 可靠性特点的自动化工业标记设备是现代化生产线新的要求。 模块化：为扩大气动打标机的使用范围和适应小批量多品种的要求，加速 气动打标机功能部件的标准化、模块组合化成为了气动标记技术的新趋势。采用 模块化的元器件，一方面可以根据用户的要求选择各种模块，并以搭积木的方式 将它们组合为一个完整的部件，另一方面还十分便于将来对系统的功能和规模进 行扩充。 高精度：工件标识的效果应该清晰易于识别，而标识的效果主要是由打印 执行元器件的精度决定的。随着执行元器件精度的提高，工件表面的标记质量也 相应提高。 高效率：打印图形和字符标记的规则是影响加工效率的决定性因素。传统 的打印规则是按照字符点阵的形式进行，逐行逐列的打印标记，这样空行程就较 多，效率较低。如果按照图形和字符的轨迹打印，并且优化选择打印标记，将大 大减小空行程，提高打印效率。 高适用性：传统的一些工业标记方法具有固定的图形库和字符库，只能对 简单图形和字符进行标记，对于任意辅助的图形和字符就不再适用了。而实际的 情况是标记的图形和字符必须随着所要完成的标记任务的不同而改变，需要实时、 自动地对任意图形和字符进行处理。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 从标记处理的核心技术控制器的发展上来看，最早控制器是使用计算机直接 通过并口或者使用i s a 扩展并口直接输出脉冲到驱动器控制电机运动，软件则是 在d o s 下使用的命令行格式。这样的系统仅仅能够打印简单的字符，对图形的编 辑相当困难，打印速度很慢。后来控制器发展到使用外部单片机或者数控卡来实 现，而软件逐步实现图形化。此时的软件对图形编辑有了较大的简化，软件人性 化了很多，但缺乏足够的字库支持，软件还不完善；同时由于单片机的速度限制， 对控制上是时分复用，指令之间有较大的延时，如果要达到较高细分度打印的速 度还很困难。 目前标记系统存在的问题： 标记打印速度较慢，精度普遍不高； 软件功能不够强大，使用不太方便，同时灵活性差，升级维护困难： 图形处理的支持较差； 1 3 本课题的主要工作内容 本课题的主要研究内容是在现有的标记打印机的控制基础上，针对当前气动 标记打印机的不足，设计一种新的控制方案，使用f p g a 代替单独的p c 或p c + 单片机的控制，完成硬件电路设计和f p g a 控制程序调试；在软件方面，开发一 种新的p c 工业标记系统软件。具体工作如下； 研究并实现一种适合在f p g a 中的直线插补算法； 实现在f p g a 中的梯形速率控制； 完成系统的硬件设计，包括与p c 机的数据通信以及实现f p g a 作为控制 器的全部功能； 完成p c 标记打印软件的各种功能，包括图形界面、模拟打印演示、控制 数据生成以及与控制器的数据通信等，并完成软硬件联调； 增强p c 标记打印软件的字符和图形的处理能力，能够使用矢量字库和采 用至少一种常用图形格式作为外部图形导入的中间格式； 4 重庆大学硕士学位论文2 方案设计 2 方案设计 2 1 标记系统工作原理和系统需求 2 1 i 标记系统工作原理 工业气动标记控制系统的总体组成大致如下： 控制装置：是气动标记系统的核心部分，主要由p c 机和控制器等组成； 打印装置：包括工作台、支架、步进电机、执行机构等组成； 辅助装置：主要指配套部件，包括气源、夹具等： 图2 1 标记打印控制系统框图 f i g2 1p r i n c i p l eo f m a r k i n gc o n t r o ls y s t e m 标记打印系统的工作流程：在p c 上运行的控制软件的支持下，对需要打印的 标记( 如：字符、增量号、v i n 号码以及任意的图形) 进行编辑、预览和定位等 操作。在完成标记编辑后，在p c 软件控制下，控制输出脉冲驱动电机运动以及控 制电磁阀的开关。打印针头在电机带动下运动，同时在压缩空气作用下高频冲击 工件表面，最终在平面、圆柱面或者类球面上打印出指定的字符或者图形。 2 1 2 系统需求 本系统的主要设计目的是在标记打印速度和精度上在标记市场上达到领先， 同时提供一个完善可靠、简单易用的用户软件。 打印功能：可打印各种字体字符、流水号、v i n 号码以及图形标记；支持 至少一种通用字库；字符大小、距离可调，能够进行扇形排列；打印深度0 0 2 s 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计 2 0 r a m 可调( 视材质而定) ；打印速度能够达到5 7 个字符，且速度可调；能够提 供旋转刻印功能；提供三轴插补控制功能，第三轴z 轴主要用于钢瓶打印等类球 面打印的补偿； 交互界面：图形化可视界面，显示和打印具有相同效果；鼠标编辑操作方 便，可直接选择和拖动；在打印的同时演示打印路线； 数据管理：打印标记文件保存；提供数据库查询打印记录以及打印报表， 重号对比提示； 微机接口：提供方便高速接口连接控制器和计算机； 2 2 方案对比 在标记打印系统中，是通过对步进电机的控制来完成打标工作的，标记控制 器是整个系统的核心，因此在方案对比中，主要针对控制器的选择与设计进行讨 论。 2 2 1p c 机作为控制器 最早的气动标记机的控制器是直接用p c 输出步进电机所需要的步进脉冲来 控制气动标记机的针头运动。而脉冲的输出有两种方式，一种是通过p c 机的并口 输出模拟脉冲，另一种是通过i s a 接口扩展卡输出脉冲【5 】【6 】用。 这两种方法原理简单，都是通过p c 机软件延时来控制输出脉冲。如果在d o s 下运行的控制软件，由于d o s 是单任务的实时操作系统，因此定时的精度要好于 基于分时多任务的w i n d o w s 下的延时。但d o s 下的人机交互界面远不如w i n d o w s 操作系统，现在已经很少使用。在w i n d o w s 下面有两种方式定时，一种是直接软 件延时，另一种是采用w i n d o w s 提供的定时器。软件延时就是不断的循环等待时 间到，或者是查询系统提供的多媒体定时器，但受到w i n d o w s 自身线程切换和中 断的影响，精度无法保证；而w i n d o w s 提供的定时器受硬件影响，间隔在5 5 m s 左右，精度也受到系统开销的影响。另外，早期的脉冲输出都是直接对计算机端 口直接操作，随着w i n d o w s 对系统保护的增强，在w i n 2 0 0 0 及以后的系统中都须 通过驱动层，也在一定程度上降低了速度。 这种早期的控制方式成本低廉，但由于输出精度不高，输出脉冲速度低以及 人机交互界面较差现在已经较少采用。例如重庆恒伟精密机械有限公司的早期标 记系统就采用的这样的结构，在驱动器为1 6 细分的情况下，能够平稳输出。 2 2 2 单片机数控卡作为外部控制器 由于p c 机的特点造成输出脉冲精度低等缺陷，人们将控制器移动到p c 机外， 采用其他控制器来进行脉冲输出控制，p c 机只处理复杂的图形部分。这样就能够 充分利用p c 的计算能力，提高标记打印的性能。上世纪末期，随着单片机的普及， 将其作为控制器是一个不错的选择4 】【7 】【9 】。 6 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计 在这种方案下，p c 机作为主控制器，划分线段，形成指令发送到单片机。单 片机收到指令后，进行插补运算，完成对伺服机构的控制。由于单片机仅仅完成 插补的工作，因此其输出的脉冲比较稳定，精度也较高。优点在于实现了图形处 理和打标控制功能的分离，打标图样由专人设计，便于统一管理，可以只需要配 备一台打标机。由于成本较低，此种方案是现在应用最广的。 但这种方案存在比较明显的缺点，单片机的处理能力有限，不能够稳定输出 较高频率的脉冲信号驱动高细分度下的电机驱动器，这成为整个方案的瓶颈。经 过试验，工作在4 0 m h z 下的w i n b o n d 7 7 e 5 8 ，插补工作速度最高只能达到2 0 k h z 左右。另外在高速插补运动情况下单片机输出的精度相对降低，单片机完成一条 线段插补计算后，需要再读入下一条数据，会出现一个短暂的等待，对脉冲的均 匀输出有一定的影响。特别是在实现高速连续的短直线拟合运动时，该缺陷更加 突出。即使是在单片机外部挂接一个外部大容量存储器用于存放打印数据指令， 以单片机对外部存储器的访问速度，也会对运行速度产生限制。数控卡输出脉冲 的平稳度方面要好于单片机，但也存在上述读取数据等待的缺点，成本也偏高。 2 2 3f p g a 作为外部控制器 随着大规模集成电路的发展，在工艺不断进步的推动下，f p g a 产品在逻辑密 度、性能和功能上有了极大的提高，同时器件成本的大幅下降，也使得电子设计 工程师逐渐倾向于在越来越多的设计方案中采用可编程逻辑器件 1 0 】i 儿】。 选用f p g a 的原因主要有以下几点： f p g a 具有高速、并行处理能力，对于多路脉冲的高速、高精度输出具有 其他器件难以比拟的优势，这样能够在很大程度上提高系统的性能。 f p g a 内部有丰富的逻辑资源和大容量的存储单元，有利于简化硬件设计， 降低成本和开发难度。 f p g a 功耗低，抗干扰能力强。 使用f p g a 作为控制器，不仅简化了电路，降低了成本，更重要的是提高了 系统的整体性能。 2 3 系统方案的确定 根据系统需求和模块化设计的要求，整个工业标记打印控制系统共分为三个 部分：p c 机、控制器和打印机械伺服机构。 整个控制系统由p c 机和f p g a 控制器一起工作，共同完成整个标记刻印控制 任务。在任务划分方面，将图形和字符的编辑处理都放在p c 机上实现，在v c h 缶0 环境下开发。f p g a 控制器完成的则是对p c 机下发的数据进行处理，完成插补运 动的控制以及对外部反馈信号的处理，在q u a r t u s l l 4 2 环境下开发。这样的分工可 以充分发挥p c 和f p g a 各自的优势，p c 机在进行复杂的运算方面可以达到很高 7 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计 的速度，而且拥有丰富的外围接口便于连接外部控制器；f p g a 在逻辑控制和并行 执行的精度上却优于其它设备，能够精确、稳定地输出脉冲和其它控制信号。 本系统的设计中，速度和精度是系统设计指标中最关键的部分。由于任何曲 线在很小的范围内都可以看作是由许多段短直线连接而成，为了简化控制器设计， 本设计中使用短直线来逼近曲线。p c 机负责将各种打印标记的曲线转换为用多条 直线段逼近的数据指令队列发送到控制器，然后由控制器来翻译指令，驱动电机 运动。控制器是由f p g a 实现的，其运行速度相当快，为了不让控制器等待p c 机 的数据指令造成时间浪费，提高系统效率，就需要在控制器中内建数据缓冲区， 以保存由p c 机生成的数据指令队列，然后由控制器读出执行。这样就避免了控制 器等待数据而降低打印速度。 在大致估计算法的逻辑资源消耗后，f p g a 选择a l t e r a 公司的e p l c 3 t 1 4 4 c 8 ， 该芯片有2 9 1 0 个l e s 和1 3 个m 4 kr a m 、5 9 9 0 4 b i t 的r a m 资源以及1 个p l l 1 0 】。 由于p c 机和f p g a 控制器之间存在通信，数据传输的速率不能太低。本设计 中，传送到控制器的每条数据指令在2 5 个字节内，能够存储的数据缓冲区大小在 1 5 0 2 0 0 的深度。由于数据指令消耗速率一般在2 0 0 条秒以内，因此数据速率使用 5 7 6 0 0 b p s 能够满足需要，如果需要还可以提高到1 1 5 2 0 0 b p s 或更高。同时考虑到 p c 机的并口多用于打印机连接，而有的笔记本又没有串口，因此本设计中采用串 口和u s b 串1 ：3 相结合的方式，使用u s b 串口转接芯片c p 2 1 0 1 2 1 0 2 1 3 1 来完成该功 能。在方便用户使用的同时，对于p c 机软件并无任何修改，不需要增加额外的代 码。 下图是系统设计的总体框图。 p c 机 外部信号 u s b 串口 光 步 f p g a 控制器 隔 驱 进 工业标记 串口c p 2 1 0 1 动 电 打印软件 器 机 图2 2 系统总体框图 f i g2 2s y s t e ms t r u c t u r e 根据上图，可以简单的将本设计的工作原理描述如下：用户使用p c 机上的工 业标记刻印软件编辑需要打印的标记和图形。打印时p c 软件预先按照设定的打印 速度和空走速度将矢量描述的曲线转化为多条直线段进行逼近，形成运动指令数 8 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计 据队列。然后通过串口u s b 转接口将数据指令发送到控制器的数据缓冲区。控制 器接收数据，然后逐条翻译数据指令执行，发送控制信号到步进电机驱动器和高 压气源电磁阀，控制打印标记。控制器将外部信号( 开关信号、限位信号等) 和 控制器内部信息( 数据队列空满状态信息、打印完成等信息) 也通过串口反馈到 p c 机，形成一个控制环路。 9 重庆大学硕士学位论文3 硬件及控制器设计 3 硬件及控制器设计 3 1 设计指标 控制器要求：3 轴直线插补输出；梯形升降频率控制；输出脉冲频率达到 2 0 0 k h z 以上；能够对外部限位及其他输入信号统一管理，并反馈到控制软件；使 用串口和u s b 串口相结合的方式与p c 机通信；电路具有较强的抗干扰能力。 整个硬件设计的原理图和p c b 绘制均在p r o t d9 9 s e 环境下开发【15 1 。 3 2 硬件电路设计 3 2 1 数据通信模块设计 外置f p g a 控制器的工业标记打印系统存在p c 机和f p g a 控制器通信的问 题，p c 机和f p g a 控制器的通信是双向通信，本设计采用串口通信，考虑到现在 p c 机串口资源少，而u s b 接口资源丰富，因此电路设计上使用u s b 转串口的 c p 2 1 0 1 2 1 0 2 芯片。 c p 2 1 0 1 2 1 0 2 是一种单芯片u s b 转串口的桥接器【1 3 i 。该芯片包含一个u s b 2 0 全速功能的控制器，e e p r o m ，缓冲器和带有调制解调器接口信号异步串行数据 总线。它有一个集成的内部振荡器和u s b 收发器，所以无需其他外部u s b 电路元 件。使用c y g n a l 免费提供的器件驱动程序，可以很容易地将c p 2 1 0 1 2 1 0 2 实现 一个有效的串口。对于p c 机上的软件开发而言，只需要将其视为一个标准的串口 操作即可，无需其他任何改动。同时，为了和以前的串口连接，仍然保留9 针的 串行接口，在两者间切换只需要改动两个跳针即可。如图3 1 罐盛 图3 1u s b 转串口电路 f i g3 1 u s bt os e r i a lp o r tc i r c u i t 1 0 重庆大学硕士学位论文 3 硬件及控制器设计 串行数据经过跳针后，可以选择输出到f p g a 或者是单片机，中间使用0 欧 姆的电阻来选择连接。这样在设计上有较大的灵活性，数据既可以直接到f p g a ， 也可以通过单片机在中间做转换控制。 3 2 2 接口电路设计 控制器对外输出有两种方式：驱动外部继电器；给步进电机驱动器输 出方向信号和脉冲信号。外部信号则仅有电平输入一种方式。 对输出信号来说，两种方式不能够采用同一种电路。控制继电器工作主要考 虑的是抗干扰设计，采用光电隔离控制。同时，在继电器两端并接续流二极管， 消除开关继电器线圈时产生的反电动势干扰。 w 一 p 一 。睨盟也罗 南 2y b l n 4 1 4 8 _ r 1 2 2 1 0 2 、邕i j 【攀dj y m g 图3 2 电磁阀驱动电路 f i g3 2 s o l e n o i dv a l v ed r i v ec i r e u i t m o n d 上述电路中，当d 0 2 控制管脚为低电平，则三极管q 1 0 导通。这样，通过光 隔u 8 ，达林顿管q 2 导通。这样，输出端r e l a y l 电平近似为v c ce x t e r n a l ， 输出高电平。达林顿管q 2 在此处主要用来增加电流驱动能力。同理，当d 0 2 控 制管脚为高时，q 2 截止。但由于外部负载是一个感性负载，当q 2 截止后，仍然 存在感性电流。并接二极管d 3 的目的就是用来消耗此电流。 对于输出给步进电机驱动器的方向和脉冲信号，则主要考虑的是驱动能力。 重庆大学硕士学位论文3 硬件及控制器设计 盐一社幽丝 图3 3 脉冲方向驱动电路 f i g3 3 p u l s e d i r e c t i o nd r i v e rc i r c u i t 7 4 h c l 4 是6 反向施密特触发器，使用7 4 h c l 4 一方面是增加驱动能力，另一 方面是用来对输出信号进行波形整形，对干扰信号有一定的抑制作用。 3 2 3 电路抗干扰设计 抗干扰性是任何一个总线设备很重要的指标。抗干扰设计的基本原则是：抑 制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。本设计中的控制器 所采用的看抗干扰设计措施有： 在每个集成芯片的电源端和地端之间接入滤波电容，以迸一步改善芯片电 源的质量； 布线时，电源线和地线做到尽量粗。采用大面积铺地方式，除减小压降外， 更降低偶合噪声； 外部输入的电平信号应通过光电隔离再进入电路，避免外部干扰引入；输 出的控制信号如果是接继电器，需要并接续流二极管，消除断开继电器线圈时产 生的反电动势干扰； 集成芯片的闲置管脚在不改变系统逻辑的情况下应接地或接电源，防止干 扰信号的引入； 强电信号和弱电信号分离。 3 3f p g a 控制器设计 3 3 1 控制器总体设计 f p g a 控制器总体设计框图如图3 4 ： 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 硬件及控制器设计 囊：二= = = = = 二二一塑登坚芦= ， 图3 4 控制器总体框图 f i g3 4 s t r u c t u r eu l i s t r a t i o no f c o n t r o l l e r 脉冲 ， 方向 输出 按照方案设计，数据传输和整个控制器单元都集成在f p g a 内部。因此在 f p g a 内部主要分为5 个部分：串口收发接口部分、数据缓冲区、核心控制器、直 线插补模块和外部信号管理模块。各模块功能简述如下： 串口收发接口部分：采用状态机实现的一个类似串行接口芯片8 2 5 0 8 2 5 1 的功能模块【1 6 【1 刀，实现串口数据的收发。并处理核心控制器发送数据的请求。 数据缓冲区：用双端口r a m 来实现。用来存放p c 机发送下来的数据指 令。 核心控制器：根据数据缓冲区状态读取数据到内部寄存器，启动一次插补 算法；处理外部反馈信号，并生成特定的反馈数据格式通过串口发送到p c 机。 直线插补模块：按照核心控制器提供的信号，生成输出脉冲。 外部信号管理模块：外部反馈信号滤波，处理外部请求后输出到核心控制 器。 接下来将对重点模块进行详细介绍。 3 3 2 直线插补运动 数控系统中直线插补的任务就是根据给定速度的要求，在直线起点和终点之 间计算出若干个中间点的坐标。由于每个中间点的计算时间直接影响数控系统的 控制速度，而插补中间点的位置精度又影响到整个系统的控制精度，所以插补算 法对整个系统的性能指标至关重要。按照运算方式分，常用的插补方法有：逐点 比较法、数字积分法，最小偏差法，单步追踪法等【l ”。 重庆大学硕士学位论文 3 硬件及控制器设计 逐点比较法： 逐点比较法又称为区域判别法、代数运算法。原理是：计算机在控制加工过 程中，能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按照规定图形加工出所 需工件。插补运动时，每走一步都需要完成四个工作节拍：1 ) 偏差判别，判别 加工点对规定图形的偏离位置，决定给进方向。2 ) 给进，控制坐标给进，向规 定图形靠拢，缩小偏差。3 ) 偏差计算，计算新的坐标位置相对规定图形的偏差， 作为下步判别的依据。4 ) 终点判断，如果达到终点，则停止插补，否则再从1 ) 开始不断循环。 数字积分法： 数字积分法又称为数字微分分析器r ( d d a ) ，具有逻辑能力强的特点。基本原理 如下【1 8 】： 从几何概念上看，函数y = ( ，) 的积分运算就是求此函数曲线所包围的面积， 而该面积可以看作是许多长方形小面积之和。长方形宽为自变量出，高为纵坐标 乃。 s = r 缈= n 儿血 ( 3 1 ) 如果取a t = l ，即一个脉冲当量，则： s = y t ( 3 2 ) l = o 由此可见，函数的积分运算变成了变量的求和运算，如果选取的脉冲当量足 够小，则用求和运算来代替积分运算所引起的误差可以不超过容许的数值。 y o 图3 5 速度与终点坐标关系 f i g3 5 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es p e e da n de n d - p o i n t x 在直线插补时，起点0 以速度v 运动至终点尸( t ，y e ) ，( 如图3 5 ) 加工速度和 终点坐标存在关系： 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 硬件及控制器设计 三：丘：兰：d o p x 。y t 其中d 为比例常数。在缸时间内，位移增量为： 缈a x ：= _ 匕垃a t ：= 咖d x 。垃a t lx = 血= 出o a t , 任意时刻的动点坐标： “ _m l y = a y - - e 咖。她 式中，d ，t ，y 。均为常数。取a t i = i ，则上式变为： ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 工= 啦a t , = d m x e 1 1 ( 3 6 ) y = 机a t , = d m y , l - 1 由上式中d 协= l ，有d = 1 m 。即在加工直线o p 时，先将终点坐标值t ，咒缩 小到d k 和谚k ，后经过m 次累加就可以得到负荷直线轨迹的坐标值。 但对于上述两种方法存在如下问题：参与插补的各坐标方向的脉冲频率不均 匀，对于运动速度高、惯性大的运动部件将产生严重的振动，造成运动的不平稳【1 9 1 。 在本设计中采用另一种直线插补方法比较积分法【2 0 1 ，该方法适合多轴插补运 动，每个运动方向单独计算，并且方法简单。 比较积分法是在逐点比较法、数字积分法基础上派生出来的一种插补算法【2 1 1 。 它综合了两者的优点，不仅可以插补常用的直线、圆弧轮廓，而且还可以插补非 圆曲线轮廓，是一种非常实用的插补算法。其原理如下： 以平面直线插补为例，对任何一条平面直线，都可以通过适当的运算变换表 述为： l ，：善x ( 3 7 ) x c 其中置、e 为直线的终点坐标。对该式求微分整理得： r , a x 2 以a y r 3 8 1 若取z 、a y 为单位位移增量，且在数值上为l ，则求积可得： 艺= 置 “ ( 3 9 ) 从上式可以看出，在x 方向每发一个步进脉冲，积分值就增加一个z ；在y 方向每发一个步进脉冲，积分值就增加一个置。为了得到所需直线，需使上式等 号两边积分值相等。与逐点比较法思路相同，引入一个偏差函数f ，用于给进方向 判别，