基于嵌入式微处理器激光雕刻机系统研究与开发

微处理器的高性能激光雕刻机数控系统，着重解决了加工过程中的速度和精度要求，有效提高了激光加工的生产效率和系统的整体性价比。论文对基于嵌入式微处微处理器的高性能激光雕刻机数控系统，着重解决了加工过程中的速度和精度要求，有效提高了激光加工的生产效率和系统的整体性价比。论文对基于嵌入式微处理器实现的激光雕刻机控制系统进行了研究，并完成了理器)处理器的数控系统的软硬件实现，DM642和FPGA(Field现场可编程门阵列)高速力，并结合FPGA实现了系统组合控设计开发出基于DM642和FPGA实现的高速PCB开发出基于DSP／BIOS内核技术实现的控制系统软件关键词：激光雕刻机DM642处理器高速Ⅲspaperaccordingthecontrol oflasercarvingmachinethelaSermachineconwolsvstembased highClient。aprocessor,resolvetIleofprecisionproductivitygaineffectivelyandⅢspaperaccordingthecontrol oflasercarvingmachinethelaSermachineconwolsvstembased highClient。aprocessor,resolvetIleofprecisionproductivitygaineffectivelyandahighperformancelOWCOStoftheLasercarvingmachirlesyStembasedonembeddedprocessoriSresearchedandinthispaper．InthispaperthehardwareandsoftwaredesignhasedonasresearchedofDM642highkey—FPGA．T1lefinalmodelmachilieon-linedisplayfounctionof山attainedtheanticipationdesigndemand．TllemainresearehWOrkasofinfluenceofprocessing。indexofsystemtheschemethenewTI—performanceofdataprocessingandcombineFPGArealizationthecontrolResearchthehighspeedPCBsystemdesignofDM642and4)ResearchcontrolsystemsollwarebasedonDSP／B10Skemelprocessor,High—speed独创性本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下独创性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得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获墨盗墨墨盘至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究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意，月莎本学位论文作者完全了叁盗墨兰盘堂有关保留、使用学位可以将学位论文的全部或部分内容编的规定。特授权墨盗堡兰有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子件(保密的学位论文在解密后适用本授权说明导师签名：钗象I6签字日期：泗7年／月6第一章绪1．1开发背景与选题意第一章绪1．1开发背景与选题意自20世纪60领域越来越广泛n1，“1。优劣直接关系着激光雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争力都至关重要。但目前国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好地统一，成为影响国产激光雕刻机市场竞争力的制约因素之一。为此，研究丌发具有良好性价比的天津鼎森激光设备科技发展有限公司经过长时间的市场调查分析之后，委托我校张宝峰教授领导激光雕刻切割项目课题组，为该公司开发设计高速激光雕刻切割系统。经过长达1年多的研究与开发，目前已试制出样机，并小批量生产销售，取得了公司和客户广泛好评。系统主要有如下特点)数控系统采用嵌入式SP处理器(DS专用的运动控制芯片，很好的解决了长期困扰我国激光雕刻切割产品应用普及的速度和精度问题，并大大降低了生产成本；2)在图形加工算法中采用“智能非线性曲线插补算法”，优化加工路径，很好的解决复杂图形的加工速度和平稳性问题；3)电机控制中采用“动念NURBS曲线”优化加工路径有效提高系统的高速运行平稳性，提高了加工质量，增加了激光雕刻切割机的整体性1．2激光雕刻加工的发展背景及基本现激光加工技术是光电子技术在传统加工领域内的应用，是先进制造技术的重要组成部分。激光加工是激光应用最有发展fi{『景的领域之一，并将成为继光通讯、光医疗、光存储等弱激光技术应用后又一强激光应用的新兴产业。国外已丌发出20技术。激光的空问控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适合于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可第一章绪本在光电子技术方面占首位，美国在激光医疗及激光检测方面占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。在这些发达国家，激光加工技术已在各个制造领域得到广泛应用。如美国通用汽车公司在汽车制造中，50％以上的汽车部件采用了激光加工技术旧。以R本为例，目前已拥有C02加工机2万多台，约占全球激光加工总量的t／3，其中0％为激光切割设备。在材料加工领域中(主要使用YAG激光器和C0：激光器)的应用最广，其次是科学研究与发展领域。我国激光技术的发展已有四十余年的历史。尽管我国激光加工技术还相对落后，许多领域还没有得到应用，但经过多年的艰苦发展，国内激光产品已经在国内占据了较大的市场份额，在产品质量、性能等方面初步具备了与国外大公司竞争的实力。目前国内外激光加工行业中有很多公司J下在致力于高性能激光雕第一章绪本在光电子技术方面占首位，美国在激光医疗及激光检测方面占首位，而在激光材料加工设备方面则是德国占首位。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。在这些发达国家，激光加工技术已在各个制造领域得到广泛应用。如美国通用汽车公司在汽车制造中，50％以上的汽车部件采用了激光加工技术旧。以R本为例，目前已拥有C02加工机2万多台，约占全球激光加工总量的t／3，其中0％为激光切割设备。在材料加工领域中(主要使用YAG激光器和C0：激光器)的应用最广，其次是科学研究与发展领域。我国激光技术的发展已有四十余年的历史。尽管我国激光加工技术还相对落后，许多领域还没有得到应用，但经过多年的艰苦发展，国内激光产品已经在国内占据了较大的市场份额，在产品质量、性能等方面初步具备了与国外大公司竞争的实力。目前国内外激光加工行业中有很多公司J下在致力于高性能激光雕刻机系统的研究在国外主要是美国的宙斯、威特、悍马等公司，以及德国Scherpers公司，其价格一般较昂贵；他们生产的设备属于领先水平。目|j{『，国内在这一行业做的比较好的有北京开天、广东哟铭、浙江博业和安徽力宇、楚天激光、深圳大族等公司为主，这些激光雕刻机的控制系统多采用主从式结构，个人计算机负责图形处理和数掘的传送，下位机接收数据后，通过插补计算进行雕刻加工，但是，用户提出的许多新功能和性能的要求，尚不能给于很好的满足，且在雕刻加工时，有时会出现加工数据的丢失，加工速度慢、稳定性比较差“】。国内外部分激光加工公司的雕刻机参数如表卜1所示表1-1国内外雕刻机性能Tablel一1inanddomesticofengraving内I外滠楚广博咒f足f江【大濑微酸鼎’澉到辅(蹲刎缝约X能60—2第一章绪第一章绪1．3嵌入式微处理器在工业控制应用上的优嵌入式系统在工业控制上的应用起源于20世纪0已经渗透到各个领域，且与人们的R常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。激光雕刻机作为一种高科技的产品，为实现系统控制要求，早期的成熟产品大都采用了单片机技术，但随着系统控制对象的扩大和技术的进步，实际应用中又对激光雕刻机控制系统的功能和性能提出了许多新的要求，在这种情况下单片机也就越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，32位的嵌入式微处理器和高速数字信号处理器(DSP)逐渐成为嵌入式系统设计的主流”’。随着切割工艺的复杂程度不断提高，传统的手工切割和机械加工由于受设备及技术的制约，对被加工物的切割精度低而在一定程度上影响产品的质量．甚至会影响到经济效益。对于高速激光雕刻机而言，高速和商可靠性永远是其最重要的要求。随着激光技术的发展提高、步进电机技术的发展，以及特别是近年随微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，32位的嵌入式微处理器和高速数字信号处理器(DSP)逐渐成为嵌入式工控系统设计的主流，这些都为高速激光雕刻切割系统的研究应用创造了有利条件。数字信号处理具有精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成、易于存储等优点，而且可以采用多种性能优良的数字信号处理方法和算法。实时数字信号处理的应用需求和超大规模集成电路技术水平的飞速发展，推动着数字信号处理器性能的不断提高，使其在信号处理、运动控制等领域发挥着越来越重要的作用，而且其应用深度和广度J下在不断地深化现代制造技术的发展对数控系统的速度、精度要求越来越高，而高速、高精度则主要靠运动控制的执行部件来保证。运动控制系统有典型的要求，如高速的输入输出、处理的实时性、数据处理过程简单但数据计算量很大等。由于DSP特有的多组总线的哈佛结构，使得处理指令和处理速度同时进行，从而大大提高了处理效率，DSP的流水技术，使得每个指令的最终执行在单个周期内完成，使得处理速度大为提高。因此，DSP在数据量大、计算复杂、实时性要求高的运动控制领域是比较理想的选择，而基于DSP的运动控制系统已成为运动控制技术发展的必然趋势。早期用在控制系统中的DSP仅仅实现一些简单的数字控制算法，其实DSP在其它方面也有许多强大的功能。最近十多年来，随着运动系统控制要求的不断提高，如高可靠性、高效性、高精度、实时性等，DSP的应用越来越广，DSP的巨大潜力也逐渐被挖掘出来。DSP片内特别结构和外围电路对控制系统很有用，如A／D、大容量存储器、定时器、比较单元、锁存单元、PwM波形发生器、快速中断处理能力、高速串行口和I／oEMAC网络接口等。因此，运动控制系统设计者通过DSP迹实现、各种复杂控制算法、诊断和保护等几乎所有的控制系统功能第一章绪第一章绪1．4本文在分析了嵌入式系统、嵌入式DSP微处理器、当前激光雕刻切割机的发展现状的基础上，对激光雕刻切割机数控系统实现的一些关键技术做了分析，课题的提出是基于工程实际需要，面向的控制对象是高速激光雕刻切割机，基于委托方对项目的实际要求，将综合考虑稳定性、可靠性及成本控制多方面需求，为厂家丌发一套基于DM642嵌入式处理器的激光雕刻机控制系统。本课题主要研究工作包括：分析C0：激光雕刻的原理，对影响国内外激光雕刻切割系统性能指标的原因作了路；根据提出的设计要求，提出不同的数控系统硬件解决方案，综合考虑成本、性能等各方面因素，分析各方案的优缺点，最终确定了基于A的激光雕刻完成了数控系统基本模块的硬件设计。包括硬件原理图的绘制，硬件PCB采用DP／BIOS实时操作系统，开发了系统控制软件算法程序，并解决了在软件开工作、系统DSP4第二章系统原理及总第二章系统原理及总体方激光雕刻切割机作为一种特殊的数控加工设备，尽管激光加工有着其特殊性，但从运动速度和定位精度是激光雕刻切割机的主要技术性能。本章针对激光雕刻切割机的工作原理，围绕市场调研提出的雕刻机数控系统的2．1激光雕刻切割机的工作原在激光雕刻切割机上待加工的图形主要有两种格式：位图和矢量图。这两种图形格式特点不一致，加工方法也不同，所以，可以对矢量图形和位图分别定义加工数据格式。这样，上下位机便遵循统一的数据格式，在Pc端软件设定加工参数后，即可通过RJ45接口(TCP／P)或者其他通信口传输至DSP的数控系统。基于SP的激光雕刻切割数控系统使用DSP控制C如激光器和步进电机实现对非金属材料按照预先设计的图案进行切割、雕刻等加工处理。在Pc中上位端软件功能即读取常用的DXF、PLT、BMP图形、图像文件，根据图形和加工材料的不同设定不同的加工参数。再把设定好参数的加工数据通过TCP网络或者其他通信接口发送到控制板的DSP中，由DSP解析并处理生成最终的加工数据，驱动步进电机并控制C02激光器进行加工图2-系统加I：流Fi92—1Systemprocess第二章系统原理及2．2系统设计要第二章系统原理及2．2系统设计要此，整个系统的原理方案的确定，将主要从运动控制的两个重要性能指标入2．2．1．运动控位控制(PositionContr01)又称为点到点控制 PointContr01)，是一种从个位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能到达目标位置的控制方式。这类控制在移动过程中，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先Contr01(PallelCont01)，准确位置外．还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行制。轮廓控制(ContouringContr01)又称为连续轨迹控制在运动控制系统中，按执行部件的类型分类可分为开环、半闭环和闭环伺服系统。在我们的激光雕刻机系统中采用的是步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正系而采用大规模的FPGA来对数控加工系统作精确控制)，步进电机(动与激光发射的时间同步、配合等问题予以解决，这一方面需要在硬件电路设计中予以考虑，采用合适的硬件方案；另一方面，软件算法的优劣也是关键，好的算法能充分发挥硬件潜能，提高机床的稳定性。如果算法设计不成功必将使设备的综合性能有所降低，NRB2．2．2．速度控机的加工特点是加工速度快、累计运动线路长、启停频繁，不仅要求指令运动速度高，而且要求快的加减速，以提高雕刻切割加工的平均运动速度，提高加工效率。6第二章系统原理及总体方表2-l、系统主要技术与性能指标名项目实第二章系统原理及总体方表2-l、系统主要技术与性能指标名项目实施后可以达到的指最大加工面 64000最大加工速激光强100级激光器及功定位精网纹精扫描精2．5*2．5m(黑体)1．0．1．0mm(英文字符最小成型文接口模运动控支持直线插补、曲线插控制方完全脱2．3确定系统的硬软件划分和开发策略，为系统的具体丌发提供指导。总体方案制定得合理与否不仅将直接影响到系统是否能够达到预期的性能指标，还将影响到系统的工作可靠分析本系统的设计指标可知，其目标是要设计丌发一套针对雕刻机的控制特点、能满足各种加工控制需求并具有高性价比的高性能档激光雕刻切割数控系统。为此，本系统首先需从速度方面入手，重点要解决好运动的快速性和可靠性问题，同时兼顾系统的制造成本，使硬件造价控制在预期的范围内。可见，系统的处理速度和成本控制是本系1)PCP而插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务由高速运动卡完成。但系统中的底层功能模块必须自行丌发，工作量大、开发周期长。另外，高速工控运动板卡价第二章系统原理及第二章系统原理及总体方单片机等MCU+高速运动控制芯片：该方案利用单片机控制高速控制芯片完成插更不能满足，此外，高速运动控制芯片价格过于昂贵，所以尚不易推广。采用DSP+cPLD／FPGA构成：随微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，32位的嵌入式微处理器和高速数字信号处理(DSP)逐渐成为嵌入式工控系统设计的主流。由于DSP的高速数据处理能力，因而在激光雕刻机的数控系统中可以充分借助DSP的强大运算能力，把复杂的算法放到控制系统上完成，便于控制算法的优化和提高，使系统的功能和性能得到很大提高。D6422-2所示。它由基于DM642微处理器的运动控制主板、机和人机界面单元三部分组成图2—2系统总体玟Fig．2-2Thecollectivitychart在整个控制系统中，DSP主控板是数控系统的核心，主控板用来完成了数控系统中的插补运算、步进电机输出脉冲的分配，发挥DSP高速计算性能，解决雕刻切割机运动控制过程中的高速信息问题。另外，DSP主控板还需对其它外部设备进行控制，如机床操作。人机界面是机床和操作人员的一个纽带，主要完成操作按键的扫描和加工状8第二章系第二章系统原理及总体方在Pc端的控制软件中，主要任务是把PLT、I)XF等格式转换成系统自有的数据格式并对图元进行复制、移动、缩放等编辑操作，设置雕刻区及其他的加工参数，形成初步的加工数据经TCP／UDP方式传输至SP控制板进行进一步处理。而基于嵌入式DSP实现的雕刻机的控制系统是本文所重点要阐述的，所以以下章节将主要对基于嵌入式P数控系统的硬件实现与系统软件开发予以详细阐述9第二章系统原理及总体方本第二章系统原理及总体方本章主要讨论基于高性能DSP芯片与高性能FPGA芯片相结合的高速激光雕刻机控系统的硬件设计与实现。作者设计了基于TI公司TMS320DM642的多媒体处理器和仿真，确定这种DM642+FPGA协同工作的方案是可行的。该系统充分利用6000系列DSP强大的并行运算能力，以及FPGA灵活的时序逻辑控制技术，从改变现有硬件系统的角度出发来提高数控系统的整体性能。此外，本章还介绍了DM64处理器相关特性、DSP数控系统的由于激光加工方式的特殊性，对许多材料采用激光加工方式加工的优点只有在国际上，高速激光雕刻切割机往往采用工业控制器配合伺服电机实现在高速度速度和精度一直是影响我国激光雕刻切割机产品应用普及的主要因素，国内厂家为了降低成本一般都采用两相混合式步进电机，由于步进电机是采用分步运动方式，在每步之间不可避免会出现震动；而且步进电机本身的矩频特性曲线输出力矩随着脉冲频率的加快呈抛物线下降趋势，所以两相混合式步进电机很少应用在转速超过800转／分的应用场合。很多厂家为了追求高速度，往往通过加大步进电机的每转行程，但由于步进我们的设计目标是运动速度达到2000mm／s，此时按每转行程72m达到1667转／分。经过深入研究，我们发现如果能够构造一条符合步进电机矩频特性的较理想的加减速曲线，同时尽可能提升步进电机的每转脉冲个数，降低步进电机步间震动，将会大大改善步进电机矩频特性曲线，从而达到高转速目的。目|ji『国内生产的步进电机驱动器，其有效细分一般在64，即将每个步距角细分64等份，按每个步距角1．8度计算，电机每转一周需但此时按运动速度为2000mm／s计算，脉冲频率将达到200／72180=55556(Hz)，脉冲周期仅为2．8微秒，对微处理器提出了很高的要求，所以我们采用需要较长的丌发周期、成本较高、输出脉冲稳定性有保障，并且采用软件方式处理的DSP控制系统。我们采用了TI新一代新型的TMS320DM642高速DSP0第三章系统硬什开第三章系统硬什开既可避免DSP多线程被打断，同时由于激光加工的特殊性而需要的速度和精度问题也3．2为充分发挥DSP的高速数据处理能力和强大的资源管理能力，在数控系统中我们采用了TI的新型高速DSP处理器DM642和FPGA组合控制(DSP用于高速的数值计算，而采用大规模的FPGA来对数控加工系统作精确控制)步进电机和c02激光器实现对不同材料的加工，所设计的数控系统(控制板)最终可以完全脱机运行，操作方便，极具人性化。该数控系统的结构如图3．1所示图3-1．数控系统结构示意F够-1．TheNumericalcontrolsystemstruGureDM642高速DSP处理DM642是TI公司最新推出的一款针对多煤体处理领域应用的DSP，它成化。在600MHz的时钟周期运行速度下，其处理能力为4800MIPS。虽然该DSP是专针对多煤体处理领域应用的，但这并不妨碍我们将其用在激光雕刻切割数控系统中第二章系统硬什开第二章系统硬什开程序和数据空『自J编址，依靠指令计数器提供的地址来区分指令和数据，指令和数据通过同一总线访问同一地址空间上的存储器。而DSP采用的哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与之相对应的是系统中设置两条总线：程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空『白J里，因此取指操作和执行操作能完全重叠与通用芯片相比，其具有以下一些优点DSP和升级。稳定性好：DSP集成方便：DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成在激光雕刻切割数控系统中，我们采用DM42与飓风(Ccoe)系列PA控制系统的设计，一方面充分利用了DM642强大的数据处理能力和片上资源管理能力，同时利用DM642处理器的EDMA来对FPGA进行数据管理，这样既可避免DSP多线程被打断，同时由于激光加工的特殊性而需要的速度和精度问题将得以很好的保证DM642与FPGA组合协调控在激光雕刻切割机系统中，通过M42控制PA实现对步进电机和C制，是数控系统的关键。DSP处理速度和FPGA及其他外围设备的配合问题，需要一套硬件电路来控制DSP对FPGA及外围设备配合问题进行协调。目前还没有可以直接应用的通用芯片。因此，需要一套硬件电路实现控制器对FPGA以及其他外围设备的配合进行协调。现场可编程逻辑门阵列FPGA是可编程的ASIC(ApplicationSpecifiCCircuit，专用集成电路)，可以实时地对外加或内置的RAM或EPROM2第三章系第三章系统硬什开研制、小批量生产的最佳选择。电路设计师设计一个电路首先要确定电路(也可以用Verilg／VHL语言进行行为描述，然后做逻辑综合)，然后进行软件模拟及优化，以确认设计电路的功能和性能．然而随着电路规模的不断增大和工作频率的提高，将会给电路引入很多分布参数的影响，而这些影响很难用软件来反映，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以实现硬件仿真，将软件模拟后的线路经过处理后下载到FPGA，设计者就可以直观地测试其逻辑功能及性能指标，采用系统内可再编程的技术，使得系统内硬件的功能可以象软件一样被编程配置，从而可以实时地进行更改和开发。这种称为“软”硬件的全新的系统设计概念．使新一代的电子系统具有极强的灵活性和适应性，它不仅使电子系统的设计和产品性能的改进和扩充变得十分容易和方便，而且使电子系统具有多功能的适应能力，从而可以为许多复杂的信号处理和信息加工的实现提供新的思路和方法。可再配置FPGA技术己在勾画着未来的方案，国外一些大学和研究所己经利用xilinx和A1tera的FPGA实现多用途、高速的协处理器来加速计算机系统的运行，对于专门的应用，可在配置FPGA把超级计算机的性能带到桌面系统。可以预测：未来的计算机可自动地改变其硬件来适应正在运行的程序，被称为在最终用户的产品中实现“设计的可再编程性”的年代己经开始。可配置计算技术在科学计算、设计自动化等方面得到应用，可编程ASIC的发展是电子技术进一步成为当今信息时代功能强大的手段。综合上面关于FPGA的论述，FPGA有着丰富的资源、可重复的编程特性、方便的设计手段、低压低功耗的性能和低廉的价格，对于设计功能强大的运动控制电路来实现复杂运动控制必将是首要的选择。在设计中我们在DM62实现了两个缓冲区，一个放加工数据，另一个为填充数据，利用缓冲区的切换，当加工缓冲区的矢量图形数据NI完之后，告知DM642可以对当前缓冲区进行填充(抛弃原有数据)，同时丌始加工另一个缓冲区内(原填充区)的图形数据，如此反复，这样由于DM642处于多线程的运行状态下，为避免DSP在处理其他重要事务时被打断，可利用DSP的EDMAFPG进行数据管理。这样既可避免DSP多线程被打断，同时在速度上也可以得到保在管理步进电机和C魄激光器的FPGA中主要实现三个定时器l、T2、T3，以及激光器(实际是对激光电源)能量和使能控制。整个系统实现的难点在于对激光和两个步进电机协调控制，系统中通过一块FPGA(CPLD)来控制。在FPGA第二章系统硬什开图3-2FPGA功能实现FPGA第二章系统硬什开图3-2FPGA功能实现FPGAFi93-implementblockFPGA采用的是Altera公司的Cyclone系列器件，Cyclone器件采用的是专为低成本设计的全新体系结构，其具有大容量，并内嵌乘法器和存储器，这些都有助于在系统的设计应用中很好的实现我们的要求。图3．2中，T3的数据是由数控系统的DSP处理的加工图形计算出的。在激光雕机工作过程中，由于要保证激光加工的精度，所以对激光器的发光时间和步进电机行时问有特殊的要求，要求发光时间与步进电机的运行时序要完全匹配，否则会引进电机运行过程中激光器出光不均匀，被加工工件会产生“毛刺”或者加工不闭合等。由T3同时控制定时器l、2和激光器，可以使他们的时序完全匹配。步进在激光雕刻机控制系统中，使用硬件描述语言 HDL进行FPGA程序程序设计。应特别注意的是，用VerilogHDL编写的程序是否与外部的硬件电路相匹配。于VerilogHDL是硬件描述语言，当使用它编写程序时，VerilogHDL本身会编译程HDL中的时序延时可能与外部的硬件电路的延时不一致显示无错误通过，但HDL编而导致虽然程序编译正确，却不能在具体电路中运行。所以，在使用程序时，一定要考虑VerilogHDL的时序与外部电路的匹配问题。本控制系统了DM642处理数据，用定时器T3控制两个步进电机的运行，保证了步进电的高精度，不会出现时序偏差，同时外部辅助硬件电路满足了FPGA的VerilogHDL程实际4．1系统印刷电路板4．1系统印刷电路板设高速PCB设计，已经不仅仅是在生产工艺允许的情况下，用尽量短的敷铜线把器件互连就算完成，而是要从选择高速器件类型开始，对系统器件的布局、关键网络的特征和走线方式与长度进行控制，对PCB设计的同时进行仿真和分析，最后达到所要设计的要求为止。高速PCB设计反映在器件上，就是高速时钟要求我们选择具有更快速度的开关驱动器件。一个PCB上的信号是否作为高速信号来处理取决于上升时间、导线长度和传输速率三种因素，而高速PCB设计的特点也就在于怎样控制信号传输时『白J和信号完整硬件是数控系统运行的基础，是实现系统控制功能的必要载体，同时在工控环境运行的控制系统必须考虑硬件抗干扰措施等，因此对系统中DM642与FPGA硬件控制电路和接口电路设计加以着重的考虑。实现。由于系统最高频率达到600MHz，并且系统中涉及到了高速SDRAM络接口混合芯片等数模电混合，在具体的PCB设计上必然要考虑到信号完整性等问题，本章将着重介绍系统的PCB设计的相关理论以及实现方案。4．1．1板级设计的理论基高速数字电路设计主要涉及信号完整性问题，信号完整性sI(Signalntegrity)指的是在信号线上的信号的质量。信号波形的破损往往不是由单个因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的””。信号完整性问题主要包括反射、振铃、地弹、串扰等。1)传输线理作是传输线。需要考虑印刷电路板的线际互联和板层特性对电气性能的影响。例如在我们丌发的DSP图像采集处理模块中，TMS320VC6205的工作频率为200MHz， 岛2、／微带传输线的特征阻抗z。-(赤微带传输线的特征阻抗z。-(赤]hc传输延迟：t=1．017x]—0．45带状传输线的特征阻抗传输延迟：t=1．017√善(ns2)信号完整性反射电压为正。稚线的几何形状、不正确的线端接、经过连接器的传输及电源平面连续等因素的变化均会导致此类反射信号的振铃(tinging)和环绕振荡(runding)分别是由线上不恰当的电感和电容所引起的。振铃属于欠阻尼状态，环绕振荡属于过阻尼状态。这一类信号完整性问题通常在周期信号中比较敏感，例如DSP的时钟信号，它是从晶振中得到的，所以需要特别仔细的考虑。振铃和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振铃可以通过恰当的端接予以减少，但是不可能完全消除。当电路中有大的电路涌动时会引起地跳，如大量芯片的输出级同时开启，此时有一个较大的瞬时电流在芯片和PCB板的电源平面上流过，芯片封装与电源平面问的寄生电感和电阻就会引发电源噪声，从而在真JV基准)产生电压的波动和变化，这个噪声往往会影响元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减少、对地电感的增大、同时开关器件数目的增加都会导致地跳效应的增大”驯。PB4．1．2高速PCB设计的一般原则‘制高速PCB设计可以从布局和布线以及地线的分配等几个方面予以阐一、稚在PCB设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布因此可以这样认为，合理的布局是PCB首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干6其次，在确定PCB尺寸后，再确定特殊元其次，在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。尤其是系统核心芯片的位以及周围的总线关系最后根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行在确定特殊元件的位置时要遵守以下原尽可能缩短高频元器件之『白J的连线，设法减少它们的分御参数和相互间的电电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。重量超过159对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应(5对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分行参数。一般电路应尽可能使4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm为矩形，长宽比为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200×150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。二、布在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的。在整个PCB速PCB布线时通常要考虑以下几点：避免传输线的阻抗不连续，因为传输线的阻抗不连续会导致信号的反射。阻抗不连续点就是传输线上的突变点，如：直拐角、过孔等。所以信号布线的时候要避免使4地线、对串扰敏感的信号进行端接、避免信号共用回路等措施。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线间地线，避免发生反馈耦合，并且也要避免使用过长的平行走线。对于器件中闲置的I／O口，尽量不要悬空，应按要求作上下拉处理，以免由于扰使器件产生误操作，以提高信号的抗干扰性能导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板『自J的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0．05inm、宽度为1～导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板『自J的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0．05inm、宽度为1～m时，通过A的电流，温度不会高于℃。因此，导线宽度为1．5rmu，可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0．0~o．3nun导线宽度。当然，只要允许，信号传输线应尽量粗而短，这样可以减小因传输线阻抗而引起的信号衰减。其次电源线和地线最好用粗线：导线的最小间距主要由最坏情况下的线问绝缘电阻和击穿电压决定，对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使『自J距小至5-$nun。除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体焊盘要比器件引线直径大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小(d+1．2)aim，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取O+1．O)mmPOB设计的电源和地线分配在高速电子系统设计中电源分配是一个非常重要的问题。一个低噪声的电源是高速电子系统稳定工作的基本保证。电源分配问题主要考虑的是电子系统中的电源和地的分配和布线。一、电源分配和设电源分配常用的两种方式是：总线方式(powerbuses)和电源层方式(power总线方式的电源系统是由电子系统需要的各种电压的电源传输线组成的。这种方式的电源和器件之『自J的传输线相当于一个小电阻，这就增加了电源系统的输出阻抗。在系统功耗较大的情况下，它有比较明显的分压作用，从而使器件的实际工作电压偏离它的规定工作电压，导致系统工作的不稳定。电源层方式的电源系统采用一个或多个电源和地线层来构成系统的电源。在电源层方式的电源系统中，器件的电源和地主要是使用过孔来实现与系统电源和地的连接。这样减少了电源系统的输出阻抗，从而减小电源的噪声。早期设计更倾向于总线方法，把整个层用作电源分配，成本比较高。因为电源总线与信号线分享这些层，而总线需要给所有的设备提供电源，并且还要给信号线留出空问，所以总线必须是很长很窄的带子。这使得在较小的交叉范围内产生一些小阻抗，尽管这些阻抗很小，但是仍然很重要。例如一块PCB板有20个Ic，每个设备200mA，那么总电流将为4A。这样总线上1．15欧姆的小阻抗将会造成0．5V的电压损失。如果供应的总电压是5V的话，那么总线上最后一个设备仅能得到4．5V的电压。因为电源层方式使用的是整个层，所以唯一限制就是板子的尺寸问题。带有同样多设备的系统，电源平面上的阻抗和总线系统上的阻抗比起来可以忽略。因此，电源平面系统比总线系统更能为整个系统提供全电压。其次，在总线上，电流被限制在总线的路线上。每个高速设备产生的线路噪声都将被带入这条线路中其他的设备；而电源平面系统中，电流不受线路控制，分布在整个层上，由于整体阻抗小，电源平面系统比总因此因此额外的过滤措施是必需的。这一任务由电源滤波来完成电源滤波是使用滤波电路来实现的。在系统电源的输入端通常使用c对电源进行滤波。如：兀型滤波器，T型滤波器等，并且常用luF到IOuF的电容来滤掉01u0．01u此外，原则上每个集成电路芯片都应布置一个0．01pF的瓷片电容。如遇CB不够，可每4～8个芯片布置一个1～F的钽电容。对于抗噪能力弱、开关时电源变化大的器件，如RM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容。环路相当于一个线圈，因而具有一定的电感，并且电感量随着环路面积的增大而增大。这个电感会使信号的振铃、串扰、辐射恶化。所以在设计中要有效地减小信号回路的面积。二、地线分配和设在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽J用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数在地线设计中应注意以下几点低频电路中，信号的工作频率小于MItZ，它的布线和器件问的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于IOMHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1／20，否则应采用多点接地法。将数字电路与模拟电路分式进行接地处理。逻辑上分离，即布局时，数字电路与模拟电路分离，两者尽量分开：物理上统一，即进行接地时，两者不进行区分，统一与电源端地线相连。要尽量加大电路的接地面积。尽量加粗接地若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。将接地线构成闭环以明显地提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降。若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。94．2系统PCB我们所设计的4．2系统PCB我们所设计的高速激光系统是一个高速、大容量、数模电源以及各种存储器上，在设计和研制的各个阶段采取了必要的措施系统PCB的设计采取了很多相当重要的措施。由于DM642核心板模块是8层板中包含sDRAM等高速器件，PcB设计相当复杂：FPGA模块为2层板，相对简单。个模块的PCB设计中，有共同之处，也各有区别分电阻、电容等器件放在PCB的顶层，由于PCB尺寸的限制，表层放置不下的部分电阻、电容放置在PCB的底层，如芯片的滤波电容。，由于系统中DM642模块和FPGA接口控制板都是数模混合电路，因此布局时，我们将数字器件和模拟器件进行逻辑上的分离，即数字器件尽量分布在一起，模拟器件尽量分布在一起。上面数字器件、模拟器件的分离布局产生部分冲突，因此PCB的布局需要不断的改进通过不断的努力与尝试，协调数字／模拟器件分离和不同工作电压器件分离这两个要素，同时兼顾信号的流向等要素，最终达到比较理想的PCB布局。传统的PCBDM642为548引脚的BGA．31．8v1．、5v、2vJji殊的仿真、布局、布线、匹配、屏蔽等处理，我们采用了业界近年来提出的一种新的高速PCB的高效设计流程，如图4．1所示⋯回|墨4—1采HJ白上而下流程设计高速Fj94-1Adoptup-down回|墨4—1采HJ白上而下流程设计高速Fj94-1Adoptup-downdesignflowdesignhi曲speed由于高速的PCBEDA仿真工具，基本上实现了“设计即正确”目的。本系统中DM642核心板为八层板，需要进行叠层设计。从减少信号之间的串扰等素入手，最终设计叠层如下第一层(信号层，主要元器件分布于该上表面层第二层：GNDPlane第三层(中间信号层第四层：PowerPlane(电源层第五层：Power第六层(中间信号层(地层第七层第八层 (信号层，部分元器件分布于该下表面层最终设计的核心板八层PCB图如下所示图4-2核心扳8层图4-2核心扳8层PCBF．94-2TheCoresystem8layersFP6A硬件控制接口板硬件POB设，FPA～M4PALTERA公司的Cyclone系列EPlC3T1100。在FP6A的PCB板设计过程中，主要应遵从有关FPAFPGAPLL(1v)，以及IO电压(3．3v)的电源分割，同时兼顾到与核心板的板级互连接口设计，保证一定的机械结构。最终设计的 PCB版图如图4．3所示I鳘】4-FPGA控制板PCBI鳘】4-FPGA控制板PCBFi94—3FPGAcontrolsystem4．4系统POB硬件调在系统PCB设计完成并设计系统各部分驱动管理程序之后，就可以对其进行硬件调试了。一般来讲，对大的系统进行调试需要分模块束进行。首先，应当对PCB查，如电源线与地线是否短路，焊盘是否存在虚焊点和短路点等。在cB检查没问题之后方可以进行芯片的焊接，系统中核心板上DM642位BGA548封装，必须送专门的厂家进行焊接，之后才能对其他芯片进行焊接。所有芯片焊接完并检查之后就可以分模块进行测试了。在我们的系统中有两块PCB板，其中又以核心板的测试为重点，因为它核心板EDMA测试，主要测试利用DM642的EDMA来管理FPGA测试驱动程序4)LCD测试，即核心板EDMA测试，主要测试利用DM642的EDMA来管理FPGA测试驱动程序4)LCD测试，即系统GUI界面的测试，测试驱动程序键盘测试，即系统人机交互的测试，测试驱动程序在进行硬件调试时，需要用到一系列的软硬件平台，主要包(3)个人计算机DSPCPLD／FPGA电路设计仿真软件：ProtelDxp、CadenceA1legro、Hyperlynx等；(8)CPLD／FPGA开发软件图4—4软硬什测试平SoftwareandhardwaretestFi94-第无章系统控制软什开第无章系统控制软什开软件算法的优劣是本课题中研究的关键，好的算法程序能充分发挥硬件潜能，提高机床系统的稳定性等综合性指标。传统的编程方式很难应付同益复杂的算法，系统设计编程难度很大，并且系统程序后续开发工作难度很大，因而，在基于对现有嵌入式系统首先针对可用于嵌入式DSP微处理器的各实时嵌入式操作系统分析，其次对嵌入式系开发中的一些关键问题做了详细的分析，最后给出了基于DSP／BIos操作系统软件过程中的主要实现方法5．1嵌入式操作系统的开发与应用。7嵌入式实时多任务操作系统OperatingSystem基础和开发平台，它是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在RTOS之上。不但如此，ROS还是一个可靠性和可信性很高的实时内核，将CPU时『白J、中断、I／O和定时器等资源都包括起来，留给用户一个标准的API，并能根据各个任务CPU可以面对几十个系列的嵌入式处理器的PU，CU，SP和OC等提供类同的P接口，从而可以实现独立于设备的应用程序开发。据专家测算，在优秀RTOS上跨处理器1％一TORTOS最关键的部分是实时多任务内核，它的基本功能包括任务管理、定时成熟的通用程序还可以形成专家库函数产品。嵌入式软件的函数化，产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化、减少重复劳动、提高知识创新的效率。实时多任务操作系统是根掘操作系统的工作特性而占的。实时是指物理进程的真实时『日J指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高系统的使用效率，重要特点是要满足对时间的限制和要求。实时操作系统应具有如下的功能实时操作系统的工作特性第五章系统控制软件开第五章系统控制软件开。CPU权。芯片获得了许多实时操作系统System)供应商的支持，比较知的有：WindowsCE，uCLinux，pSOS，VxWorks，Nucleus。uC／OS等。而在基于嵌入式处理器的嵌入式控制系统设计中，目Ij{『可用并且已经移植成功的嵌入式系统主要uC／OS—II、uCLinux和TI公司自己开发的实时操作系统DSP／BIOS OS操作系统概述№1IDSP／BIOS主要是为需要实时调度和同步以及主机／目标系统通信和实时监测的用而设计的。DSP／BIOS组件包括抢先式多任务内核，硬件抽象层、实时分析工具和配置工具。DSP／B105的出现背在计算机技术和信息技术高速发展的今天，计算机和计算机技术大量应用在我们的日常生活中。现代的计算机早已超出早期计算机的概念，广泛应用的嵌入式计算机便是其中的一种。嵌入式系统，多指深藏于工业系统、武器系统、或一些机电仪表设备、消费电子类产品内部，完成一种或多种特定功能的计算机系统，是软硬件的紧密结合体。具有软件随着数字信号处理技术的发展，越来越多的数字信号处理芯片应用于各行各业。PDSP系统可以用传统方法，从底层用汇编语言编写程序，利用在线仿真器、在线调试器等开平台进行开发，是很难或者几乎不可能达到预定要求的。而且用传统方法丌发软件，代码的可重用性差，系统丌发在很大程度上依赖于软件编程人员的编程技巧，软件开发的灵活性导致了很多软件移植性很差，动一发而动其全身．第五章系统控第五章系统控制软什开司作为世界上应用最广、品种最多的DSP芯片生产厂家之一，推出了特针对于其0系列DSP开发软件的实时操作系统DSP／BIOS。以往多数的DSP系统是基于流程图的设计发法，该方法设计的程序稳定性不高，流程中任意一个环节出错都将导致系统崩溃甚至死机。针对于此，使用DSP／BIOS将对系统的稳定性有很大的改善。使应用模块化，可极大提高程序的可读性、可扩展性和可移植性。使用实时操作系统DSP／BIOSDSP算法，方便快捷，程序思路清晰，便于代码调试和重用，但是目前国内的DSP实际应用中，开发者往往被DSP／BlOS表面上的繁琐迷惑，对繁多的实时操作系统文档望而却步，仍然采用与早期单片机开发一样的手工汇编或者C代码编译的开发方式，将DSP／BIOS的就是如何利用DSP／BIOS开发1rI公司的DSPDSP／B105操作系统简DSP／BIOS的资源和构建DSP应用的基础架构。DSP，BIOS所提供的内核服务在代码大小和性能S2C0C0DP／BIS，我们可以：(1)使用多线程技术高效地管理DPMPS；2)使用标准接口的I／O和中断；(3)高效地定义和配置系统资源，如系统内存；(4)通过实时分析工具对用户应用程序的运行状况实时查看；(5)向用户的目标应用程序添加数据结构并围绕一组61TM320DPDsP／BIOS是一个用户可剪裁的实时操作系统，主要由三部分组成：多线程实时核；实时分析工具：芯片支持库。利用实时操作系统开发程序，可以方便快速地丌发复杂的DSP程序。操作系统维护调度多线程的运行，只需将定制的数字信号算法作为一个线程嵌入系统即可；芯片支持库帮助管理外设资源，复杂的外设寄存器初始化可以利用直接图形工具配置；实时分析工具可以帮助分析算法实时运行情况．DSP／BIOS块化方式提供给用户对线程、中断、定时器、内存资源、所有外设资源的管理能力都可以根据需要剪裁。实际应用中需要的定制算法作为一个线程插入DP／SDPBIODSP／BIOS实时操作系统的图表配置界面如图5．1所示第五章系统控制软第五章系统控制软件开图5一lDSP／BIOS配置界Fi舀-1DSP／BIOS断管理、任务调度、系统空载任务函数同步机制(Synchronization)——提供一般操作系统都具有的信号灯、邮箱、队主机交互接口(Input／Output)——提供DSP实时运行时与主机通过仿真口和芯片支持库(ChipSupportLibrary)——针对不同的DSP芯片帮助配置DSP设资源，最常用的有DMA、McBSP的配置DSWBIOS内核技DSP／BOS内核实质上是可以从C源程序或者汇编源程序中调用的函数库，目标应用程序通过在源程序中嵌入相应的APIs调用从而唤醒DSP／BIOS的运行时刻服务。该对片上定时器和硬件中断的硬件抽象第五章系统控制软件第五章系统控制软件开具体来说，DsP／BIoS调度组件、输入／输出组件和芯片支持库(CSL)。其中，每类组件或服务又包括数个功能(1BIOS配置工具提供一个可视编辑器来定义目标应用的全局属性、系统内存象图、中断向量表以及对片上定时器进行编程。DSP／BIOSAPI实时分序线程的运行状态进行实时监控和数据分析。该类服务提供相应的API来完DSP／BIOS调度器向程序员提供了四种不同的线程类型。每一种线程提供不同的执行效果。P／IS支持两种高优先级的中断线程和一种背景空闲线程WI、WI和L模块管理这些内核执行线程。除此之外，DSP／B10S内核还提供了一种多任务线程类一同步线程，能够在它们执行的任意点上挂起和重新调度执行。输入／输出模设备无关的I／0模块负责管理数据的传输。P／BIOS数据流。数据管道是小而快速的在读写线程之问传递数据的通用组件。数据流在缓冲机制方面提供了更大的灵活性，从而满足更加广泛的需求。数据流依赖于一个或者多个基础设备驱动程序。PIP和SIO模块负责管理目标应用程序中的数据传输。SIO着一个设备驱动程序模块DEV，由该模块与SIO模块完成数据的流入或流出。对实时分析很关键的是具有在主机和目标应用程序之『白j传输数据的能力。DSP／IOS还提供了API调用来管理主机与目标机之间的数据传输由HST模块和RTDX模块管理这些函数。芯片支持库芯片支持库提供了配置和控制片上外围设备的c语言接口。该模块是顶层的模块。模块的主要目的是初始化该库。该配置工具用于对片上外围设备进行编程DMA、多通道缓冲串行口(McBSP)DSP／B10s的开发与应DSP／BIOS是可扩展的组件化的系统服务集，用户可以对其所使用的组件进行完全控制。当用户开发应用程序或者把以前的应用程序导入到DSP／BIOS时，只选择用户应用程序所需要的那些组件即可。并且只有用户所选择的那些组件被包含在用户的目标应DS／B1S一般地，应用程序使用SP／BIOS来配置系统中断向量表和系统内存映像图。在开发期间，大多数丌发者利用构建在DSP／B10S中的实时分析功能来对用户应用程序运行时刻的行为进行查看或监控。此外，人们还利用DP／BIS的调度器来优化和管理处理。每～个应用程序都可以利用DSP／BIOS中的特征或功能。先前的应用程序可以利用DSP／BIOS，以使得向其所支持的TMS320DSP的移植更加容易。DSP／BIOS需要知道几个全局系统参数。这些参数包括DSP设备、CPU时钟速度第五章系统控制软什开进行初始化或者设第五章系统控制软什开进行初始化或者设置，这些绝大多数的参数初始化或者设置都可以通过其配置工 T001)来完成。当然，其中有一些用户既可以通过配置DSP／BIOSDSP／BIOS应用需要以下几个步骤：使用配置工具选择和配置目标应用程序所需的DSP／BIOS运行时刻支持对象使用配置工具指定目标应用程序的线程类型、优先级以及激活时所调用的函数使用配置工具创建系统内存映像图使用配置工具创建中断向量表使用配置工具对片上定时器进行编程配置过程结束后，开发人员就可以在其程序中像调用常规数据对象一样来API，以访问和操作DSP／BIOS的对象由于DSP／BIOS内核含有实现执行线程和设备无关i／o的许多组件，因此从简单View)功能和实时分析(RTA)特征，使得开发人员内核对象查看KOV(Kernel把真实算法附加到程序中以前，就能够快速验证应用程序的执行逻辑。例如，通过利用其实时分析特征功能，设计师能够快速地测量使用DSP／BIOS丌发所带来的开销：利用其RTA组件，开发人员可以对嵌入式应用某一线程在运行时刻的行为或者状态进行实时监控或者分析：开发人员能够使用支持错误检测与通知、数据仿真以及实时数据捕获等特征的定制检测向量来分析所开发的算法：利用实时数据交换(RTDX)特征，丌发人员还可以在目标应用程序J下在运行时更新参数和监控结果，从而调整自己的算法。应用程序逻在接下来的章节中，我们将会通过激光雕刻切割机系统控制软件开发的一些具5．4基于DSP／B10s的激光雕刻切割控制系统软件开尽管在软件算法程序的设计中，我们可以有多种方案可供选择，可采用的实时操作系统也有好多，但基于开发难度和项目时间进度的要求，我们最终还是选用了TIDSP／BIOS实时操作系统来进行系统软件的丌发。DSP／BIOS专门针对TI的DSP境，通过一系列的对象模块向丌发者提供了一个实用优秀的实时操作系统。在控制算法的设计中，有效地提高了软件的模块化、并行性和维护性等，有效地降低了系统成本和缩短了丌发周期。本文中所有的软件是在CCS(CodeComposerStudio)扩展了基本的代码产生工具，集成了调试和实时分析功能。开发者的一切丌发过程都是在CCS这个集成环境下进行的，包括项目的建立、源程序的编辑以及程序的编译和调试。本文为了设计出性能价格比最高的DSP控制系统，尽可能地利用DSP的资源代码必须非常紧凑效率很高，而完全采用c语言编程一般不能满足实时性和性价比第五章系统控制软件大，所以本文使用了C语言和汇编语言混合编程，以C语言为主体，汇编语言以C语第五章系统控制软件大，所以本文使用了C语言和汇编语言混合编程，以C语言为主体，汇编语言以C语言可以调用的函数或内联代码的形式出现在整个代码内，使用汇编语言进行优化的代码大概占总代码的10％左右，但是这1096却是雕刻机控制算法软件的核心，占用处理器95％左右的运行时问5．4．11．主程序的执行过采用DSP／BIOS后的程序执行过程如图5．2在DSP系统上电之后，程序先由外部FLASH中调入片内RAM。完成上节讲的引(3)调用main0函main0函数只用于初始化所需的数据结构。在main上E乜幼始化J硝jIJDSP—initJ谢jIJlainOJ峨{tJBIOs_Start以耵J仆爆图5- 程序的执行过Fi95-2．DSP／BIOS配置文为了使软件能够很好的运行于DSP／BIOS操作系统上，必须建立一个扩展名CDB文件对应用程序中用到的对象及对象属性进行设置，CCS集成丌发环境提供DSP／BIOS配置工具，利用它可以很容易的完成CDB文件的设计在System中进行系统硬件资源属性设置、内存分配管理等，在Schedu]ing中成定时器的设置和管理，周期调用函数的管理．硬件中断和软件中断的管理(如第五章系统控制软什先级)，在CSL中则利用芯片支持库进行一些片内外设的参数设置，如扩展的直接数据TmeDCCS的C编译器编译结果是未定位的，亦即没有第五章系统控制软什先级)，在CSL中则利用芯片支持库进行一些片内外设的参数设置，如扩展的直接数据TmeDCCS的C编译器编译结果是未定位的，亦即没有对其分配内存地址，因此需计一个扩展名为CMD存如何使用，主程序空『日J配置及说明如下：commandfileconfig—laserDri{．boot—／／自举程栅．Ext．Ext—Dat—}C：＼ti＼c6000＼ndk＼lib＼hal＼evmdm642一l＼hal—一c：＼ti＼c6000＼ndk＼lib＼c6400-一ib＼e6400一C：＼ti＼c6000＼ndk＼lib＼e6400一l＼os．1ib＼ti＼c6000＼ndk＼lib＼c6400-4．头文较多，需要交互的速度、功率及文件的基本信息比较多。因此我们定义了一个全局的构体。结构体ShowStatus定义如下f／／显示文／／删除文／／开始修改／／开始修改／／按下功能SHOWSHOW—DEL—，SHOW—CHG—SPEEDSHOW—CHG—SHOW—SHOW— MANUAL_SPEED，／／修改手动移动的速第五章系统控制软什开SHOW—CHG—MANUAL—POWER／／第五章系统控制软什开SHOW—CHG—MANUAL—POWER／／{machineID[20]：／／机床／／端口／／左右方向键时每次移动的距／／出光时5．4．2控制系统主要模块的实采用DsP／B10s操作系统后，雕刻机控制系统软件要实现的各个功能模块DSP／BIOS的多任务调度内核的调度下来完成的／／主循环线程，主要的工作线程，用来控制所有的动作void{unsignedintTSK—sleep(1／／1．检查LCD／／2．界面∥点亮：／／关闭2 SHO崤第五章系统控制软什开2 ／／main⋯一／／如果文件信息正确，则根据第五章系统控制软什开2 ／／main⋯一／／如果文件信息正确，则根据配置的加工速度、能量等参数，在“加工按键的控制下开始加工，主要通过调用一些定义好的函数来实idleProcessO；／／}}除此之外系统还包括了一些其他的处理线程，主要有／／人机交互过程处理线程，不处理PER／／读取系统在理解了这些基本的线程之后，我们知道c语言程序的入口一般是从一个定义的默认的main．c函数开始执行的外，系统的main．c函数定义如下，／系统主函数，初始化DSP／BIOS后C程序的入voidmainOvolatileint22g-22／设置存储器)在main函数完成基本的初始化工作之后，控制系统程序的运行就完全在内核的调度机制下运行了。雕刻机的运行则在一系列运动控制加工指令的控制下，并在相应的速度控制算法的控制下，进行雕刻、切割等加工。第八章总结与第八章总结与展6．1工作向市场、面向用户的，涵盖从设计、制造、生产管理、产品维护以至到报废的整个产品生命周期的集成制造技术，可以实现快速、灵活、高效、清洁的生产模式，它在未来会在本课题的研究中，我们对激光雕刻切割机的数控系统进行了全面调研，对其运动控制技术进行了深入研究，并针对国内运动控制技术研究起步较晚的现状，结合激光雕刻领域的具体需要，紧跟当日U运动控制技术研究的发展趋势，吸收了世界丌放式数控系统和相关运动控制技术的最新成果，采用了P和A较新颖的、功能强大的、具有很大柔性的两轴多功能运动控制卡。该系统针对当前国内激光雕刻切割加工系统中的一些问题，如高速、高精度、运动平稳性、实时控制以及多轴联动等，提供了行之有效的解决方案，己经成功地运用于服装皮革、广告工艺、包装j1系统性能指标的原因作了深入探讨与研究：并给出一套独特的高速激光加工系统结构和2、在数控系统的设计上，比较了几种常用的运动控制方案，确定了DS和FPGA相结0M口，使得系统数据传输速率高达lOOMbps，并采用高速PCB板卡。3、采用TIDSP／BIO软件的模块化、并行性和维护性等，降低了系统成本和缩短了丌发周期，并为系统的后4、在系统软件设计方面，参考了软件工程学中所提出的丌发步骤和注意事项，保障第六章总结与展种相第六章总结与展种相应的措施，予以逐一解决，取得良好的效果6．2展通过本课题全面深入的研究，提供了一套符合现代高速激光雕刻切割数控系统要求的、基于高速DSP和FPOA相结合的开放式运动控制系统的方案，研制了一款高性能的多功能运动控制卡，并将其成功地运用于激光雕刻切割中，取得了理想的效果。但随着复杂加工工艺的出现，要使激光雕刻切割机能在最大程度上满足用户的实际加工需要，并成为真J下的智能化加工平台，对激光加工技术和高速激光雕刻切割系统的研究还有着很多的工作要做，还有很多地方需要进一步完善。基于当前的研究和对激光加工行业的了解，笔者认为高速激光雕刻切割系统将朝以下几个方向发展高速、高精度控制的实现依赖于更为复杂先进的控制算法的使用，而这只有高性能的DSP、32位ARM微处理器和高性能FPGA等芯片协作运行才能满足复杂控制算法的DSP2、开放式智能系统的研究方兴未艾，远程故障诊断技术、智能化一体化操未来的激光数控加工系统一个重要的发展方向3、随着计算机技术、微电子技术和EDA技术的迅速发展，片上系统oilfl的时代已经到来。这种片上系统可以将CPU／DSP内的电子系统集成到一个芯片上，实现更高的集成度和系统性能，因此，使用结构更为先进、资源更加丰富、性能更为优良的微处理器系统进行运动控制电路设计，将是重要[3]俞巧云等，《基丁二并口的微步进电机控制系统》[J]，白动化与仪表，第16卷[4]北‘文泰雕刻输出操作手册》[5]HouLantian，FuGermani∞DioxideHollorCoreC02Laser．Sciencein[3]俞巧云等，《基丁二并口的微步进电机控制系统》[J]，白动化与仪表，第16卷[4]北‘文泰雕刻输出操作手册》[5]HouLantian，FuGermani∞DioxideHollorCoreC02Laser．ScienceinChinaA，1995。386：749—王家金 《激光加，I：技术》[M]，中国计龄出版社，1992．1l。[10]赵学民，李适民，等。1500W轴快流C02激光器电源系统[J]。激光杂志20(6)：7．9。[11]谢锋、刘正士，先进制造技术的发展趋势分析[J]，组合机床与自动化加工技术[12]r手永章等，机床的数字控制技术[M]，哈尔滨INl戴晓华等，开放式数控系统研究综述[J李俊，步进电机的运动控制系统及其应Hj【J]，微特电机[24]彭韬、周学才，基于国产MCT8000运动控制R的开放式结构机器人控制系统[J]，制造业白theandC02[25]HouLantian．SunLoss