基于DSP的高速激光標記控制系統設計

　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, 經過F-Theata透鏡在工件表面的聚焦, 在工件表面作標記。與傳統的標記技術相比, 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、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的發展方向。

　　傳統的振鏡標記控制系統通過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, 開發費用低, 但由于傳輸速度低, 已不能滿足現代數控系統的實時性要求。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的高速數據傳輸和DSP高速數據處理能力，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，從而實現對標記控制的精確控制，提高控制效率，保障系統實時性。DSP控制板卡是整個系統的核心，它直接決定著系統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系列的高速數據處理芯片TMS320C6205。該芯片為高性能的定點處理器，主頻可達200MHz，每個周期能執行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字節的內部程序RAM和64K字節的內部數據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規范的PCI總線接口，直接實現芯片和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，能夠實現高速的數據處理，保證系統工作的實時性，且由于帶了PCI橋接功能，提供了和PCI總線的接口，經濟可靠。

　　2 硬件設計

　　2.1 結構框圖

　　如圖1所示為系統的硬件結構框圖。DSP控制板卡通過PCI總線與PC機連接，實現高速通信。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、JTAG端口、數模轉換模塊、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，FLASH用來存儲系統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和原來的系統總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現對這一層的管理，并實現上下之間的接口以協調數據的傳送。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，以加速數據傳送。PCI總線相比起ISA總線，有傳輸速度快，傳輸量大的優點。

　　本系統選用TMS320C6205，該芯片自帶了符合PCI2.2規范的PCI總線橋接功能，開發者免去了PCI協議的硬件和軟件實現，給系統設計帶來了便利，縮短了開發周期，也節省了開發費用。開發者只需將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能實現高速運行提供了保障。

　　2.3 CPLD邏輯控制

　　整個高速系統的邏輯控制是通過高速CPLD芯片來實現的。選用ALTERA公司的MAX7128E芯片實現，可用編程邏輯門為2500，宏單元數128，邏輯陣列塊數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 數模轉換模塊

　　數模轉換模塊將DSP處理完的數字信號轉換為模擬信號以控制兩路振鏡的偏轉。由于現在對標記精度的要求越來越高，傳統的8位數模轉換器已無法滿足用戶的需求，因此本系統選用ADI公司的16位高精度數模轉換器AD669芯片，如圖2所示。AD669為16位并行輸入，二級數據緩存結構。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。控制振鏡信號的電壓范圍為-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。

　　經實驗發現，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，高速信號系統中，存在EMC問題，將影響系統的性能。為了設計出一塊穩定，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（此點在PCI2.2規范的走線要求中有明確規定）。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的數據線和地址線要等長走線，以保證信號傳輸的質量。另外，串擾和振鈴問題在高頻下也極易出現，對SDRAM和DSP接口的控制信號和數據、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、數模電路的隔離處理

　　控制板卡上有數字電路和模擬電路，在布局時，必須考慮數模電路的隔離問題，盡量將數字電路和模擬電路分塊布局，避免數字信號走線跨越模擬電路區域，以防止兩塊電路間的相互干擾。另外數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

　　本系統將高速PCI總線與C6000高速DSP處理器相結合，配以高精度的數模轉換模塊，實現了一套高速高精度的控制系統，并將其成功的運用到振鏡激光標記系統。該系統充分利用了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，從而實現了PC機與DSP控制板卡的優勢互補，實現了實時性標記，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，具有較好的穩定性和抗干擾性。