FPGA和功能强大的DSP的运动控制卡设计

一、引言

　　使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。您可以在Win98/Win2000/WinXP环境下利用多种图形处理软件，如CorelDraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种CAD文件都可轻松地"打印"到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、亚克粒、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

　 体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素：第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术；第二是激光设备加工的机械、控制系统等，即激光加工设备；第三是激光加工工艺水平。

　　目前，国内专门生产激光雕刻设备的厂家很多，他们竞争已由激光器技术转向对激光设备和加工工艺的有效控制，能否有效解决如下问题：三维图形多轴联动、高速激光扫描和快速推进引起的振动、扫描幅面大小和扫描精度、激光的同步扫描和往复扫描错位、复杂算法和规则图形插补问题等，已经成为竞争的关键。

二、基于DSP和FPGA的设计

　　针对上述各种问题，结合多年运动控制的经验，我们设计了基于资源丰富的FPGA和功能强大的DSP的运动控制卡——MPC03，在激光雕刻调试中，成功的解决了上述各种问题。

1、MPC03卡简介

　　⑴ DSP从主机接收运动指令或运动指令块，并把从主机读取的大量图形数据实时的写入FPGA的RAM区，并向主机发送运行状态：位置、I/O状态等；

　　⑵ FPGA芯片根据接收的指令，完成多轴电机的运动控制（二维图形为两轴，三维图形为三轴）：位置、速度、插补、PID调节等；

　　⑶ 在运动过程中，FPGA同步读取RAM区的图形数据，根据不同的‘0’或‘1’状态，实时地 决定是否开关光，而且并行处理与运动有关的外部I/O信号和通用I/O信号。

　　⑷ MPC03卡性能指标如下：

　　最高脉冲输出频率FH：15MHz

　　脉冲输出频率范围F：0.002～15,000,000 Hz

　　最小分辨率Mmin ：0.002

　　脉冲频率设置步长R ：1～8191

　　定位脉冲数范围R0 ：0～4,294,967,295

　　自动降速点设置范围R6 ：0～4,294,967,295

　　增减计数器设置范围R10：0～4,294,967,295

2.MPC03卡设计和功能实现

　　⑴ 硬件电路设计

　　在MPC03卡中主要有DSP、FPGA两个功能芯片，在DSP周围扩展了多个FLASH和SRAM来存储程序和数据，每两个FLASH和SRAM可以共用一个片选信号CS，组成高低双字32位数据总线进行读写，可以提高DSP与MEMORY的通信速度，同时为FPGA配置了一个EPROM来存储下载的程序。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低电压操作，I/O信号电压是3.3V，而内核电压是1.8V，所以配置了能同时输出3.3V和1.8V两种电压的电压调整器。请参照MPC03卡逻辑结构图。

　　FPGA资源充足，性价比高，能现场重复多次编程，可以针对不同的小批量客户的具体要求，灵活地修改设计。USB接口可实现脱机工作，不必为每块卡配置一台PC机，工业现场使用方便，成本低，符合时代发展趋势。

　　⑵ 解决问题的方案

　　由于本方案确定得当，在每一片FPGA芯片上可以实现四轴功能完全相同但彼此相互独立的操作，能够实现多轴联动，对于平面图形和三维图形处理，可以采用两轴和三轴联动即可。

　　在高速往返运动和快速行推进过程中，如果不加技术处理，如梯形图所示，在加速度很大的高速运动过程中，就会出现振动、冲击，图形就会出现不规则的错位，严重时就会出现类似波纹状的变形。经过现场反复的实验，在同一设备上，可以大大的提高工作效率和图形的加工质量。

　　为了存储大量的扫描数据和达到同步扫描的目的，我们巧妙地利用了FPGA内置的2MBit块RAM资源来存储每行的图象数据。在本设计中，我们开辟了9根地址线寻址的32Bit数据总线接口的RAM区，即16KBit。如果每个扫描象素为0.1mm，按最高的扫描精度，则理论上扫描幅面可以达到1.6m。扫描从低位地址向高位地址，从每行的低位向高位依次进行。因为DSP每次向FPGA的RAM区写入一行图形数据512×32Bit，所以在对这些16KBit数据处理期间，DSP不需再向FPGA写数据。不仅大大提高了激光设备的工作效率，而且也保证了扫描的同步性，对于往复扫描出现的整体错位，在软件上进行反向补偿也提供了可行性。

　　在同步扫描时，为了提高扫描精度，改善图像质量，我们增加了8位激光控制寄存器LCR，通过设置LCR的大小（0～255），来达到提高扫描精度的目的，请看如下分析：

　　位图像素控制激光开关存在的问题

　　举例分析：假设位图数据为1010，光斑直径为Ф0.1mm，单像素脉冲数5，则步进脉冲和激光扫描如下：

从上面图形分析可以看出：如果完全根据位图像素控制，激光