摘要：为满足目前激光打标技术对速度和精度的要求，本文设计了一种新型的基于PCI总线，以FPGA为主控单元的振镜扫描式激光打标控制卡，给出了整个控制卡的电路设计方案和配置调试结果，实验证明该运动控制卡运行稳定，能满足运动控制的要求。
关键词：PCI FPGA 运动控制卡
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1007-9416（2011）06-0026-02
1、引言
激光打标是指利用高能量密度的激光束在物件表面作永久性标刻。激光打标以其“打标速度快、性能稳定、打标质量好”等优势，获得了日益广泛的应用。PCI总线是一种高性能 32/64位地址/数据复用局部总线。它具有传输速率快（可达132MB/s），低功耗，适应性强的特点[1]。
本文结合了PCI传输和FPGA资源丰富、处理能力强、易扩展的优势，设计了一种振镜扫描式激光打标控制卡，该控制卡将PC机强大的信息处理能力与运动控制卡的运动控制能力相结合，由计算机完成打标插补运算后将打标数据通过PCI总线传输给运动控制卡进行实时数/模转换，直接控制打标系统。
2、系统设计
2.1 系统总体设计
激光打标系统主要由激光打标机、工作台和外部水冷系统三大部分组成。激光打标机包括控制柜和激光打标头，它们通过系统控制线连接[2]。
控制柜主要包括计算机与显示器、控制系统、激光器系统、光路传输系统、振镜扫描系统、F-θ透镜、电源系统和激光器冷却系统等部分[2]。在激光打标系统中，我们把要打标的字符或图形输入到安装在计算机上的软件中，打标软件生成打标数据，然后把它们传输到运动控制卡中。
运动控制卡是激光打标系统的核心部分，本控制卡的工作原理就是：把上位机由打标软件生成的打标数据通过PCI总线传输到FPGA，FPGA负责接收PCI总线传输过来的数据，再把这些打标点的打标参数进行数/模转换输出去分别控制振镜的X轴和Y轴的偏转、激光的功率以及激光器的出光和关光，此外FPGA还负责电路的逻辑控制。
控制卡包括与计算机的通信接口电路、主控模块电路、逻辑控制电路、数/模信号转换电路等等，控制系统硬件结构如图1所示，系统主要包括PCI接口电路、FPGA配置电路以及D/A转换电路以及外围存储电路几部分。
2.2PCI接口设计
鉴于PCI总线协议的复杂性，本文采用PLX公司生产的PCI9052接口芯片来完成PCI总线接口的设计。PCI9052是一种功能强大、使用灵活的PCI总线控制器专用芯片，符合PCI局部总线规范2. 1版，能够实现ISA总线与PCI总线的平滑连接。本文设置PCI9052工作在ISA模式下，9052分别与PCI 总线、局部总线相连，且相关引脚必须与兼容的串行EEPROM（文本使用93LC46）相连。
PCI具有一个独有的配置空间，对于9052 ,它的配置信息是通过串行EEPROM来储存并在芯片复位时进行加载的。串行EEPROM 的内容直接关系到9052能否正确的工作。本设计使用PLX公司提供的PLXmon软件对EEPROM进行配置和读写，其中几个关键的配置信息和配置说明如表1所示[3]。
2.3FPGA配置电路设计
本设计选用Altera公司的CycloneⅡ系列器件EP2C8Q208C。它是208脚TQFP封装，内部有8256个逻辑单元，65888bits的存储器，2个锁相环，182个可用I/O口，36个嵌入式单元，每个4Kbit，使用3.3V电压供电。支持AS、 PS、JTAG 配置方式[4,5]。本系统采用了AS和JTAG两种配置模式，配置电路如图2所示。AS方式的配置在系统上电后由目标FPGA来主动输出控制和同步信号给专用的配置芯片，自动加载相应配置芯片的内容，完成配置过程。对于调试其他模块或系统联调时则可以采用AS模式，提高工作效率。JTAG配置方式在系统掉电后，配置的内容丢失，主要用于系统的在线调试。FPGA配置芯片我们选用4Mbits的Flash存储芯片EPCS4，它具有在系统编程(ISP)能力，可多次擦除。
FPGA是运动控制卡的主控模块，它要负责实现的功能包括几个方面：从PCI接口接收数据，向D/A芯片输出数字信号，读写SRAM芯片以及提供I/O接口等。本设计采用Verilog HDL 语言编程实现各功能模块的功能。
2.4 D/A转换电路设计及编程仿真
由计算机输出的根据打标坐标点所确定二维振镜的转动位置信号属于数字信号，要将其转化为模拟信号来控制振镜的机电系统，从而带动振镜的转动实现准确定位。本系统要求输出两路数模转换信号，选用TI公司的双通道数模转换芯片DAC7741来实现16位高精度的DA控制，电路原理如图3所示。
根据DAC7741的写操作时序，采用Verilog HDL语言设计程序实现FPGA对D/A的写控制，关键是要对DAC7741的时钟信号和几个控制信号(CLK、/RW、/CS、/RST、LDAC)正确控制，硬件上要注意模拟地和数字地的电路连接。
根据本文的设计，DAC7741的输出电压VOUT与内部参考电压VREFIN之间有这样的关系：VOUT=2VREFIN×[(N-32768)/65536]。
其中N是输入数字信号的值，调试中通过修改N的值，再用示波器检测输出电压Vout，与理论值比较，经计算比较，发现用示波器检测到得电压值与用公式计算出来的理论值之间误差在允许范围之内，基本达到要求。
2.5 外围存储电路设计
外围存储电路包括SDRAM，FLASH，SRAM。由于打标数据量有时比较大，主控芯片可能来不及处理，这时就需要一片存储芯片暂存上位机发送来的数据，本设计采用SRAM来存储上位机传送来打标数据，SRAM选用的芯片型号是IS61LV51216，存储容量为512K×16bit。另外，为了FPGA编程和系统扩展方便，分别选用一片SDRAM和FLASH存储芯片，SDRAM用作程序运行时的程序存储器，而程序在上电时通过FLASH进行加载。SDRAM选用的是存储容量为4M×16bit的HV57V651620B， FLASH选用的是存储容量为4M×8bit的 E28F320。
3、结语
激光打标在工业产品标记方面的应用越来越普遍，运动控制卡在整个激光打标系统中处于核心地位，目前对激光打标运动控制卡的研究主要着眼在总线接口和控制方案的选取上。本文对现有的激光打标控制卡做了比较详细的调研，提出了一种基于PCI总线，以FPGA为控制核心的设计方案。实验证明，该控制卡能准确快速的读取数据，控制电机偏转，此运动控制卡已完成硬件设计和通信调试，运动控制函数还在进一步编写完善中。
参考文献
[1]丁新玲.激光打标工艺技术.航天工艺,1999,(6):22-24.
[2]熊宛婷.激光打标控制系统的研究.华中科技大学硕士学位论文,2006:2.
[3]李学勇 等.基于PCI9052的PCI设备配置方法.计算机应用,2003,29(8),9-12.
[4]Altera Corporation. Configuring APEX 20K, FLEX 10K & FLEX 6000 Device. Ver_1.01.1999,17.
[5]王冠,俞一鸣.面向CPLD/FPGA的Verilog设计.机械工业出版社,2007,11-62.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
