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DSP高速激光标记控制系统设计方案分析
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2017-10-25
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振镜扫描式激光标记技术就是通过控制两片高速振镜的偏转角， 改变激光的传播方向， 经过F-Theata透镜在工件表面的聚焦， 在工件表面作标记。与传统的标记技术相比， 它具有适用面广（对不同材料、形状的加工表面均适合） ， 工件无机械变形， 无污染， 标记速度快， 重复性好， 自动化程度高等特点， 在工业、国防、科研等许多领域具有广泛的用途。高速高精度的振镜标记已成为当今标记行业的发展方向。
传统的振镜标记控制系统通过PC 机的串口、并口ISA 总线与单片控制板相连，这种方式接口简单、连接方便， 开发费用低， 但由于传输速度低， 已不能满足现代数控系统的实时性要求。本文在激光标记控制技术方面进行了一些新的探索：利用PCI的高速数据传输和DSP高速数据处理能力，提出一种“PC机+PCI总线+DSP控制板卡”的方式，用于振镜标记控制系统，从而实现对标记控制的精确控制，提高控制效率，保障系统实时性。DSP控制板卡是整个系统的核心，它直接决定着系统的扫描速度和扫描精度，本文将着重介绍该控制板卡的设计。
1 DSP芯片
DSP控制板卡的主芯片选用德州仪器公司C6000系列的高速数据处理芯片TMS320C6205。该芯片为高性能的定点处理器，主频可达200MHz，每个周期能执行8条32-bit的指令，处理速度可达1600MIPS；采用高性能的VLIW结构的TMS320C62xTM DSP核，有8个独立的功能单元，32个32位的通用寄存器；提供64K字节的内部程序RAM和64K字节的内部数据RAM；提供32位的外部存储器无缝接口，包括同步器件（如SDRAM、SBSRAM等）、异步器件（如FLASH、SRAM等）和可寻址52M字节的外部存储空间；提供灵活的PLL、时钟产生器，可配置倍频值；提供符合PCI 2.2规范的PCI总线接口，直接实现芯片和PCI总线的桥接功能；提供两个32位的定时器；提供在线调试的JTAG边界扫描接口。采用此芯片，能够实现高速的数据处理，保证系统工作的实时性，且由于带了PCI桥接功能，提供了和PCI总线的接口，经济可靠。
2 硬件设计
2.1 结构框图
如图1所示为系统的硬件结构框图。DSP控制板卡通过PCI总线与PC机连接，实现高速通信。DSP处理模块为主控制模块，使用主频为200MHz的 TMS320C6205芯片作为主控制芯片。DSP处理模块充分利用了C6000系列DSP的快速计算能力和高精度定时器，能够保证振镜标记机进行匀速、高速标记，这些由PC机是没有办法做到的。DSP的外围电路包括存储模块、复位控制、电源控制、时钟系统、JTAG端口、数模转换模块、CPLD逻辑控制模块和光电隔离模块等。其中存储模块包括FLASH模块和SDRAM模块，FLASH用来存储系统启动代码和软件代码，SDRAM用于提供软件运行时所需的额外存储空间。DSP控制板卡输出两路模拟量控制两块振镜的运动，输出Q开关控制信号以控制激光器的开关光，输入/输出16路光电隔离信号用于功能扩展。
2.2 PC机与DSP的通信
PCI 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI总线相比起ISA总线，有传输速度快，传输量大的优点。
本系统选用TMS320C6205，该芯片自带了符合PCI2.2规范的PCI总线桥接功能，开发者免去了PCI协议的硬件和软件实现，给系统设计带来了便利，缩短了开发周期，也节省了开发费用。开发者只需将PCI插槽上的总线信号和DSP芯片上相关的PCI总线信号直接相连即可。带“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC机的PCI卡槽中使用，实现PC机与DSP之间的通信。PCI设备可以访问所有的内部RAM空间、外设和外部存储器空间。
DSP控制板卡使用的PCI总线宽度为32为（3.3V），总线频率为33MHz，传输速率为33×32/4MB/s = 132MB/s 。此传输速率为整个系统能实现高速运行提供了保障。
2.3 CPLD逻辑控制
整个高速系统的逻辑控制是通过高速CPLD芯片来实现的。选用ALTERA公司的MAX7128E芯片实现，可用编程逻辑门为2500，宏单元数128，逻辑阵列块数8，用户可定义I/O脚100个，pin-to-pin延时为5ns。MAX7000系列器件可以通过编程器进行编程，也可以在线编程。本设计采用了在线编程（ISP）。ISP允许在设计开发过程中迅速方便地重复编程，简化了制作过程，允许器件在编程之前就先装配到印制板上。
系统设计中LED信号灯、FLASH、DA芯片、16路I/O光电隔离接口、模拟开关、Q开关、PWM输出、软件复位控制都使用了CE1空间的地址，为了防止这些器件的互相干扰，必须对输入地址进行译码。通过判断输入到CPLD的PA［2：6］和PA［16：21］可以知道DSP正在访问的地址区域，进行CE1空间的地址译码，从而产生相应的控制信号，以实现逻辑控制和时序控制。
CPLD上构建的寄存器的高地址都是一样的，命名为dsp_reg_addr，由Pa16~21构成，若Pa16~21设置为“111000”即表示地址0x0178xxxx。
传统的振镜标记控制系统通过PC 机的串口、并口ISA 总线与单片控制板相连，这种方式接口简单、连接方便， 开发费用低， 但由于传输速度低， 已不能满足现代数控系统的实时性要求。本文在激光标记控制技术方面进行了一些新的探索：利用PCI的高速数据传输和DSP高速数据处理能力，提出一种“PC机+PCI总线+DSP控制板卡”的方式，用于振镜标记控制系统，从而实现对标记控制的精确控制，提高控制效率，保障系统实时性。DSP控制板卡是整个系统的核心，它直接决定着系统的扫描速度和扫描精度，本文将着重介绍该控制板卡的设计。
1 DSP芯片
DSP控制板卡的主芯片选用德州仪器公司C6000系列的高速数据处理芯片TMS320C6205。该芯片为高性能的定点处理器，主频可达200MHz，每个周期能执行8条32-bit的指令，处理速度可达1600MIPS；采用高性能的VLIW结构的TMS320C62xTM DSP核，有8个独立的功能单元，32个32位的通用寄存器；提供64K字节的内部程序RAM和64K字节的内部数据RAM；提供32位的外部存储器无缝接口，包括同步器件（如SDRAM、SBSRAM等）、异步器件（如FLASH、SRAM等）和可寻址52M字节的外部存储空间；提供灵活的PLL、时钟产生器，可配置倍频值；提供符合PCI 2.2规范的PCI总线接口，直接实现芯片和PCI总线的桥接功能；提供两个32位的定时器；提供在线调试的JTAG边界扫描接口。采用此芯片，能够实现高速的数据处理，保证系统工作的实时性，且由于带了PCI桥接功能，提供了和PCI总线的接口，经济可靠。
2 硬件设计
2.1 结构框图
如图1所示为系统的硬件结构框图。DSP控制板卡通过PCI总线与PC机连接，实现高速通信。DSP处理模块为主控制模块，使用主频为200MHz的 TMS320C6205芯片作为主控制芯片。DSP处理模块充分利用了C6000系列DSP的快速计算能力和高精度定时器，能够保证振镜标记机进行匀速、高速标记，这些由PC机是没有办法做到的。DSP的外围电路包括存储模块、复位控制、电源控制、时钟系统、JTAG端口、数模转换模块、CPLD逻辑控制模块和光电隔离模块等。其中存储模块包括FLASH模块和SDRAM模块，FLASH用来存储系统启动代码和软件代码，SDRAM用于提供软件运行时所需的额外存储空间。DSP控制板卡输出两路模拟量控制两块振镜的运动，输出Q开关控制信号以控制激光器的开关光，输入/输出16路光电隔离信号用于功能扩展。
2.2 PC机与DSP的通信
PCI 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI总线相比起ISA总线，有传输速度快，传输量大的优点。
本系统选用TMS320C6205，该芯片自带了符合PCI2.2规范的PCI总线桥接功能，开发者免去了PCI协议的硬件和软件实现，给系统设计带来了便利，缩短了开发周期，也节省了开发费用。开发者只需将PCI插槽上的总线信号和DSP芯片上相关的PCI总线信号直接相连即可。带“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC机的PCI卡槽中使用，实现PC机与DSP之间的通信。PCI设备可以访问所有的内部RAM空间、外设和外部存储器空间。
DSP控制板卡使用的PCI总线宽度为32为（3.3V），总线频率为33MHz，传输速率为33×32/4MB/s = 132MB/s 。此传输速率为整个系统能实现高速运行提供了保障。
2.3 CPLD逻辑控制
整个高速系统的逻辑控制是通过高速CPLD芯片来实现的。选用ALTERA公司的MAX7128E芯片实现，可用编程逻辑门为2500，宏单元数128，逻辑阵列块数8，用户可定义I/O脚100个，pin-to-pin延时为5ns。MAX7000系列器件可以通过编程器进行编程，也可以在线编程。本设计采用了在线编程（ISP）。ISP允许在设计开发过程中迅速方便地重复编程，简化了制作过程，允许器件在编程之前就先装配到印制板上。
系统设计中LED信号灯、FLASH、DA芯片、16路I/O光电隔离接口、模拟开关、Q开关、PWM输出、软件复位控制都使用了CE1空间的地址，为了防止这些器件的互相干扰，必须对输入地址进行译码。通过判断输入到CPLD的PA［2：6］和PA［16：21］可以知道DSP正在访问的地址区域，进行CE1空间的地址译码，从而产生相应的控制信号，以实现逻辑控制和时序控制。
CPLD上构建的寄存器的高地址都是一样的，命名为dsp_reg_addr，由Pa16~21构成，若Pa16~21设置为“111000”即表示地址0x0178xxxx。
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