0 引 言

　　由于激光具有優(yōu)異的單色性、相干性、方向性，同時具有很高的能量密度，因此廣泛應用于材料加工。隨著物品打標過程中對防偽、精度、環(huán)保等方面的需求日益提高，激光標刻設備，特別是激光飛動標刻設備的應用日益廣泛引。在此，主要介紹了激光標刻控制系統(tǒng)軟硬件設計，著重分析了基于PCI的控制卡電路設計中的關鍵問題，同時介紹了標刻軟件的主要功能。該控制系統(tǒng)具有4路16位D／A輸出、3路16位計數器、4路DI／DO、1路PWM激光功率控制輸出功能。系統(tǒng)在應用中性能穩(wěn)定，功能完備，已應用于工業(yè)生產。

　　1 激光標刻控制卡設計

　　激光標刻系統(tǒng)控制卡是整個控制系統(tǒng)的中樞，連接著控制軟件與執(zhí)行機構?？刂瓶ńY構如圖1所示，包括基于PCI總線接口控
 

制電路、本地邏輯控制電路及功能電路等3部分組成。

　　PCI接口電路用于實現PCI總線邏輯到本地邏輯的轉換。系統(tǒng)采用PLX公司PCI總線控制芯片PCl9052作為接口芯片，采用E2PROOM配置芯片作為HT93LC46。由于接口芯片的豐富功能，簡化了接口設計，使工作集中在本地邏輯設計上，采用WDM驅動程序，實現計算機對設備的統(tǒng)一管理。本地邏輯控制電路采用IP核實現局部總線的譯碼及功能電路的邏輯控制，通過Altera公司的CPLD控制器EPM7064設計實現，可在線編程擴展接口控制功能。功能電路包括D／A電路、I／O電路、PWM電路及計數器電路等組成部分；系統(tǒng)選用模擬器件公司D／A控制器件AD7847或AD5547作為關鍵器件，實現一5～+5 V及0～10 V模擬電壓輸出。

　　1．1 基于IP核的固定頻率PWM電路設計

　　在CO2激光標刻設備中，控制卡通過PWM電路輸出脈寬頻率可調的控制信號對激光電源的放電時間進行控制，以實現對激光輸出功率的精確控制。設計中采用CPLD，使設計配置非常靈活，可根據整體需要設計相應功能的IP軟核，節(jié)約板載資源。方案采用Al-tera公司的硬件編程語言AHDL設計；結合器件EPM7064SLC44-10實現PWM控制器。基于IP核的PWM控制電路，控制時鐘取自33 MHz的PCI總線時鐘，可有效利用接口資源。

IP軟核4 kHz的輸出頻率通過對33 MHz時鐘8 196分頻獲得。8位的控制精度可實現占空比0～1的256級調節(jié)，其軟核的原型符號如圖2所示。其中，Load作為控制數據載入控制端，在該信號有效時，將8位控制數據IN［7．．O］載入內部控制寄存器。EN信號為輸出有效信號，用于控制PWM輸出，當該信號有效時，輸出PWM。LCLKIN信號提供IP軟核的工作頻率，PWM輸出信號的基頻是由該信號分頻得出的。

　　軟核內部控制語句如下，其中PWMDATA為PWM波輸出的控制邏輯，當其輸出為高電平時，輸出進行翻轉。

　　END IF; 　　END IF； 　　軟核的仿真波形及示波器輸出波形如圖3所示。

1．2 基于IP核的頻率可調PWM電路設計

　　頻率、脈寬可調的PWM發(fā)生電路中原形符號如圖4所示。其中，EN信號使能該器件；WR寫信號與PFD0，PFDl及PCD0，PCDl配合，實現頻率及脈寬控制字的寫入，控制位寬為12位，實現4 096級調節(jié)。LclkIn為全局時鐘信號，該信號來自8分頻后的33 MHz的PCI接口時鐘，因此IP核能實現1 kHz～4 MHz的頻率調節(jié)及0～100％內最大4 096級的占空比調節(jié)。8位數據寬度的DATAIn接El用于控制數據的輸入。IP核功能實現的程序如下：

　　功能仿真波形如圖5所示。

　　采用IP核實現頻率可調的PWM發(fā)生電路時對邏輯器件內部資源的消耗較大，相比之下，固定頻率的IP占用的邏輯資源較少，因此更適合用于為激光器頻率固定的應用場合提供高精度的脈寬調制。

　2 控制軟件介紹

　　針對板卡的調試及實際激光標刻系統(tǒng)的應用，分別開發(fā)了TestStar硬件板卡測試軟件及LaserStar激光標刻軟件系統(tǒng)。

　　板卡功能測試軟件能完成對板卡所有功能的測試。

　　不僅提供通道選擇功能，用于D／A控制輸出的測試；而且提供DI輸入信號檢測，DO輸出信號測試；以及COUNTER計算器測試等功能。通過測試軟件的設計，提高了系統(tǒng)設計的效率，同時可分開對各模塊的實際效能進行測試，及時發(fā)現各個模塊設計的不足，使系統(tǒng)在實際標刻過程中更穩(wěn)定。

　　激光標刻軟件系統(tǒng)可方便地編輯單線體文字、TTF文字、日期、時間、序列號；可自動進行圖形對齊、圓形排版功能；可以用鼠標繪制圖形；可方便地導入PLT圖形文件，以及從BMP圖像提取圖形輪廓。它在不影響生產線正常運作的情況下，可實現流水生產線上產品的激光在線標刻，從而大大提高生產效率。標刻速度范圍達到O～60 m／min或1～20標／s。

　　系統(tǒng)可方便地修改標刻內容，設置標刻功率大小、速度快慢等控制參數。標刻線條流暢，深淺自如。用戶還可設計特殊的防偽碼，因為采用了數據加密技術，不同的用戶即使都擁有標刻系統(tǒng)，也不能標刻完全一樣的內容，使得系統(tǒng)具備良好的防偽標刻功能。系統(tǒng)標刻的實際標刻效果如圖6所示。

　　3 總結與展望

　　基于計算機PCI總線設計激光標刻控制系統(tǒng)，提高了控制指令發(fā)送速度和控制精度。設計開發(fā)了Win-dows 2000／xP下的WDM驅動程序；提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；減少了硬件兼容性及誤操作造成的系統(tǒng)死機、藍屏等現象。采用CPLD器件將本地邏輯處理及控制數據的存儲等功能集于一身；采用Altera公司的硬件編程語言AHDL設計了IP軟核；結合器件EPM7064SLC44-10實現固定頻率及可變頻率的PWM信號精確輸出，減少了分離器件的使用，使系統(tǒng)模塊化程度大大提高，簡化了PCB布局布線，同時利于系統(tǒng)的升級和擴展。利用CPLD優(yōu)良的加密性能，將系統(tǒng)特征信息及加密邏輯存儲其中，與控制軟件配合實現系統(tǒng)的硬件加密，確保系統(tǒng)的惟一性，可有效提高標刻內容的防偽能力。該控制系統(tǒng)已經在工業(yè)領域得到廣泛應用。