（课程与教学论专业论文）基于atmega128的激光三维加工控制系统.pdf

基于a t m e g a l 2 8 的激光三维加工控制系统 摘要 传统的基于p c 机控制或通过并串口进行数据传输的激光加工系统，由于 受w i n d o w $ 平台自身特点的限制，远远不能满足高速实时加工的需求，并且只 适用于小批量的单机加工。针对当前激光加工系统存在的问题，设计了基于 a t m e g a l 2 8 控制核心的激光三维加工控制系统，该系统采用u s b 接口实现 p c 机与激光加工设备的数据传输，能适应高速、大数据量的加工需求，u s b 使系统能够扩展多台加工机共用一台p c 机控制，这既节约了成本，又能大幅度 提高工效；系统扩展了6 4 m b 的数据存储器，能够满足大容量数据存储的需要， 从而能够实现激光加工机在脱机状态下工作。 论文第一章简要介绍了国内外激光加工的现状，以及在实际应用中存在的 一些缺陷。并提出了解决问题的初步构想。 第二章介绍了激光加工系统的工作原理，提出了系统总体功能实现的方案， 给出了设计开发系统所需芯片的选型以及各芯片的具体介绍。 论文第三章详细的介绍了激光加工系统的硬件设计。 第四章是基于u s b 总线的激光加工系统的开发。 论文第五章详细的介绍了激光加工系统的软件开发。 最后一章对全文作了总结，并且提出了未来工作的设想。 关键词：激光加工，控制系统，u s b l a s e rt h r e e d i m e n s i o np r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e d o l l a t m e g a l 2 8 a b s t r a c t t h el a s e rp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do np co rt h el a s e rp r o c e s s i n gs y s t e mi n w h i c hd a t at r a n s f o r m st h r o u g hp a r a l l e li n t e r f a c eo rs e r i a li n t e r f a c e ，w h i c hi sl i m i t e d b yt h ew i d o w sp l a t f o r m ，c a nn o tt r a n s f o r md a t ae f f e c t i v e l y i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m s ，l a s e rt h r e e - d i m e n s i o np r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do na t m e g a l 2 8w a s d e s i g n e d u s bi n t e r f a c ew a sa d o p t e di nt h i ss y s t e mt or e a l i z et h et r a n s f o r m a t i o no f d a t ab e t w e e np ca n dt h el a s e rp r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nd e a lw i t ha l a r g e a m o u n to fd a t as p e e d y m o r et h a no n el a s e rp r o c e s s i n gm a c h i n e sc a nb ec o n t r o l l e d b yo n l yo n ep ct h r o u g hu s b ，w h i c hc a nn o to n l yr e d u c et h ec o s t , b u ta l s oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c y t h ec a p a c i t yo ft h ed a t am e m o r yw a se x t e n d e dt o6 4 m bt os a t i s f yt h e s t o r a g eo fl a r g ea m o u n t sd a t a , a c c o r d i n g l y , t h el a s e rp r o c e s s i n gm a c h i n ec a nw o r ki n 0 f f i i n em o d e i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f l a s e rp r o c e s s i n gi si n t r o d u c e d a n dt h ef l a w se x i s t i n gi nt h i ss y s t e ma r ep o i n t e do u t , t h e nt h em e t h o d su s e dt os o l v e t h e s ep r o b l e m sa r eg i v e n c h a p t e r2g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl a s e r t h r e e - d i m e n s i o np r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e m t h es c h e m e st or e a l i z et h ef u n c t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e d ，t h em o d e l so f t h ec h i p sf o r 也ec o n t r o ls y s t e mw e r e g i v e na n dt h ep a r a m e t e r so f e a c hc h i pw e r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e r3 ，t h eh a r d w a r ed e s i g n i n go fl a s e rt h r e e d i m e n s i o np r o c e s s i n gc o n t r o l s y s t e mw a si n t r o d u c e d c h a p t e r4p r e s e n t st h es t u d i e so nt h el a s e rp r o c e s s i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n u s b i nc h a p t e r5 ，t h ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mw a s i n t r o d u c e dj nd e t a i l t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h ed e s i g na n ds u g g e s t sp o s s i b l ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s k e yw o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g ，c o n t r o ls y s t e m ，u s b 插图清单 图1 _ l 基于p c i 接口卡的三维激光加工系统2 图i 2 基于单片机的三维激光加工系统3 图1 3 基于u s b 接口的多机同时加工示意图3 图2 1 系统总体结构框图6 图3 1s p i 主机一从机的互连1 3 图3 2a t 4 5 d b 6 4 2 d 存储器扩展电路连接图1 4 图3 3 三维动态聚焦激光振镜扫描系统光路图1 5 图3 4 双振镜扫描系统1 6 图3 5 振镜扫描系统功能框图1 7 图3 6 m a x 5 3 2 2 功能结构框图1 8 图3 7 m a x 5 3 2 2 硬件电路连接图1 8 图3 8 运动控制模块电路设计1 9 图3 9 a t m e g a l 2 8 的r e s e t 连接方式2 1 图3 1 0s t k 5 0 0 ，a v ri s p 和s t k 2 0 0 s t k 3 0 0 的标准i s p 连接2 1 图3 i ia t m e g a l 2 8 的i s p 接口电路图2 2 图3 1 2a t m e g a l 2 8 外部时钟电路2 2 图3 1 3l c d 模块接口电路图2 3 图3 1 4 按键控制模块电路连接图2 4 图3 1 5 系统电源设计电路图2 5 图4 iu s b 设备的典型枚举过程2 9 图4 2u s b 设备配置成功后设备管理器图示2 9 图4 3 u s b 设备硬件结构示意图3 1 图4 4p d i u s b d l 2 内部结构框图3 2 图4 5u s b 接口电路连接图3 4 图4 6u s b 中断服务程序和主程序关系图3 5 图4 7u s b 模块固件结构示意图3 6 图4 8u s b 模块主程序流程图3 7 图4 9u s b 中断服务程序流程图3 8 图4 1 0u s b 系统构成图3 9 图5 1 完整的激光加工系统软件构成图4 l 图5 2 软件系统总程序流程图4 2 图5 3a t 4 5 d b 6 4 2 d 模式结构图4 4 图5 4a t 4 5 d b 6 4 2 d 读写程序流程图4 5 图5 5 双振镜偏转扫描畸变示意图4 7 图5 6 运动控制模块程序流程图 图5 7 图像数据存储格式示意图 图5 8 加工控制子程序流程图 图6 1 具有嵌入式u s b 主机系统的激光加工设备 4 9 5 1 5 2 5 9 表格清单 表2 i 几种常用单片机的比较7 表2 2c 代码下几种单片机的比较8 表3 1a t 4 5 d b 6 4 2 d t u 管脚( 串口相关) 功能1 4 表3 2l c d 2 0 0 4 显示屏引脚功能一览表2 3 表4 1 常用计算机接口的性能比较2 6 表4 2p d i u s b d l 2 管脚功能介绍3 3 表5 1 图文处理软件系统事件列表5 4 表5 2u s b 驱动程序主要模块及实现的功能5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：嚏梦氯签字日期：了m 笋f 碉，咱学位论文作者签名：凄梦诗1 永l 签字日期：手f 碉，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金自b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 蟹王业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乏圣0 1 ，j a 一 导师签名： 屠山寺 签字日期：“9 年i 湖c 日签字日期夕叼年，二月，矿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 硕士期间的学习和研究工作是在我的导师高峰和袁自钧老师的悉心指导和 严格要求下完成的，论文中所取得的研究成果都凝聚着他们的心血和智慧。高 老师和袁老师具有渊博的学识、富有创新的学术思想，他们的每次指导都让我 深受启迪，受益匪浅。两位老师严谨的治学态度以及诲人不倦的奉献精神将是 我今后学习和工作的良好榜样。高老师和袁老师不仅在学业上给我以悉心的指 导，在我的生活等各方面也给与了莫大的帮助，我从他们的言传身教中学到了 许多高尚的为人品质和道德情操。在此，谨向我的恩师致以最衷心的感谢。 感谢合肥镭蒙激光科技有限公司的所有同事，他们共同营造的良好工作环 境是本文得以顺利完成的保障。 感谢实验室所有的同学，特别感谢徐殉、袁润、万保礼等同学的热情帮助。 感谢网友n e w 2 等人，虽然我们未曾谋面，但在许多问题的探讨中，我们相 互帮助，相互鼓励。 感谢我的家人对我的支持和鼓励。 作者：赵永礼 2 0 0 7 年1 0 月2 0 日 第一章绪论 自从2 0 世纪6 0 年代第一台红宝石激光器发明以来，激光技术与应用发展迅 猛，己与多个学科相结合形成多个应用技术领域，例如光电技术，激光医疗与 光子生物学，激光加工技术等等。这些交叉技术与新的学科的出现，极大地推 动了传统产业和新兴产业的发展。 1 1 激光加工概述 激光加工设备是综合应用激光、电子、计算机、机械等技术的机电一体化 设备，激光加工因其加工速度快、图像清晰永久、无污染、无磨损等优点被 广泛应用于军工、机电、汽车、广告、美术、纪念品加工等众多领域，目前在 市场上应用相当广泛，市场需求量很大。 激光加工是利用高功率密度的激光束扫描被加工材料的表面，在极短的时 间内照射区的温度迅速上升，使加工材料熔化或汽化，达到切割或加工的目的。 激光加工工艺包括雕刻、切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线等各种工 艺方法。激光加工是一种发展极快的高新技术，己成为发展新兴产业，改造传 统制造业的关键技术之一。各种激光( 雕刻、标记、焊接、微调、打孔、切割、 划线、热处理等) 系统、设备，已经或正在进入工业各领域，诸如电子、轻工、 包装、礼品、五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等行 业。 1 1 1 激光加工的特点 由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特点，这决定了 激光加工具有如下的特点和优势“3 ： ( 1 ) 无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形： ( 2 ) 加工过程中无刀具磨损，无切削力作用于工件； ( 3 ) 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工， 对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后 续加工量最小。 ( 4 ) 由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、 易于对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法，可以加工多种 金属、非金属材料，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点材料。 ( 5 ) 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。 1 1 2 激光加工的应用领域 激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出2 0 多种激光加工 技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，加工对象的材质、形状、尺寸和 加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数 控技术相结合可构成高效自动化加工设备，己成为企业实行适时生产的关键技 术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。激光加工系统基于 不同的应用，归纳起来有激光雕刻机、激光切割机、激光热处理机、激光标记 机、激光焊接机、激光打孔机、激光划线机、机激光蚀刻、激光化学、激光医 疗等众多行业等。随着激光技术和计算机技术的发展，激光的应用领域越来越 广泛。激光加工是激光应用领域中的一门新兴技术，由于计算机图形学、图像 处理等学科的交叉渗透，使得其在军工、机械、电子、汽车、广告美术等行业 有着越来越广泛的应用前景。 1 2 目前研究现状 目前市面上常见的激光加工设备多采用p c 机控制或通过并串口来实现数 据传输。采用p c 机控制的系统如图1 1 所示1 ，p c 主机直接通过其外部接口 发送控制信息和加工数据，并且通过其i o 接口完成与加工系统的信息交互。 在整个系统中，p c 主机处于系统的核心位，任何的信息都由p c 机发出，其他 设备部件则处于被控制地位。 图1 1 基于p c i 接口卡的三维激光加工系统 图1 2 是基于单片机的三维激光加工系统，在此系统中p c 机将加工信息 传输给下位机m c u ，下位机m c j 根据) m - r 信息来协调控制激光器、扫描振镜、 三维运动平台等加工设备部件，系统中处于控制核心的是下位机m c u ，p c 机则 只起到数据传输的作用。 2 图1 2 基于单片机的三维激光加工系统 针对此两类系统而言，主要存在着如下问题“1 ： ( 1 ) w i n d o w s 平台的实时性不是很高，w i n d o w s 提供的时间函数只能达到毫秒 级，远远不能满足高速实时加工的需求： ( 2 ) 通过p c 机并串行口控制的激光加工系统只适用于小批量的单机加工， 若要进行大批量的多机同时加工，必须设计单独控制系统来执行加工程序。 基于上述原因，我们考虑采用单片机系统或者嵌入式系统来控制激光加工 机。单片机控制比常见的p c 机控制会具有更高的可靠性、实时性和灵活性。而 u s b 技术则能成功解决上述第二个问题，因为u s b 允许扩展最多1 2 7 个外设同 时工作，图1 3 显示了基于u s b 接口的多机同时加工的示意图。 图1 3 基于u s b 接口的多机同时加工示意图 其次采用u s b 接口的原因还在于：目前u s b 技术以其速度快、成本低廉等 诸多优点已逐步占领了p c 及其外围设备市场，以往常用的并口和串口已经在现 在的某g - 。p c 机上消失。随着大量支持u s b 计算机的普及，u s b 成为p c 机的标准接 口已经是大势所趋，为了适应当前及以后的计算机接口类型，提高产品的兼容 性，设计激光雕刻机通过u s b 接口实现数据传输，具有积极的意义。 1 3 课题来源与研究目的 1 3 1 课题来源 本课题源于合肥镭蒙激光科技有限公司与加拿大i n s p e c k 公司的企业合作 项目，论文中阐述内容为该合作项目中的一个子课题一一三维激光加工控制系 统的研制与开发。 1 3 2 研究目的 ( 1 ) 开发一套实时性好，高效率、低成本的激光加工系统。 ( 2 ) 解决大容量数据存储扩展的问题，实现激光加工设备在脱机状态下工 作。 ( 3 ) 适应当前计算机接口发展趋势，开发具有u s b 通讯功能的激光加工设 备，实现多机同时加工。 ( 4 ) 开发商效、易于用户操作并且易于移植的激光加工软件系统。 开发的最终目的是系统能够应用于工业生产，能够提高生产效率，能够降 低投资成本。 4 第二章系统总体功能设计 2 1 激光三维加工系统工作原理 激光加工设备的性能除了受激光器性能和机械装置精度的影响外，控制系 统的性能对其功能、精度、加工工艺水平等关键性指标具有决定性作用。我们 设计的激光三维加工系统主要由上位机的图像处理软件和作为下位机的激光加 工机构成。图像处理软件的主要作用是对要加工的图像( 形) 进行处理，使之适 合于加工，并显示出加工的效果图，同时将图像数据进行编码，转换成符合激 光加工机工作要求的数据格式，然后通过计算机u s b 接口传送给加工设备的数 据存储器，下位机m c u 读取存储器中的数据，经运算后对整个系统进行控制， 这主要包括三维运动平台、振镜以及激光器的控制等，进而实现加工功能。 2 2 系统总体功能实现 本控制系统实现的功能可以从以下几个方面来概括： ( 1 ) p c 主机：读取图形文件，对其进行运算，转换为一系列相应的控制信息， 并通过u s b 通讯模块传输给下位机。 ( 2 ) u s b 通讯模块：接收主机传输来的包含电机运动的使能，方向，速度， 脉冲信息以及振镜调节等信息的各种字节，将这些逻辑控制电平和控制脉冲信 息存储到下位机数据存储器中。 ( 3 ) 数据存储模块：存储u s b 通讯模块传输来的信息。 ( 4 ) 运动控制模块：读取数据存储器中的数据，将其放大并转换为步进电机 的控制脉冲，以及振镜调节所需电压。 ( 5 ) 命令调试按键：实现良好的人机交互功能。 ( 6 ) 显示电路模块：显示当前系统状态。 激光三维加工系统的结构框图如图2 1 所示。 2 3m c u 的选型与性能介绍 m c u 的选型我们主要从如下原则出发考虑： ( 1 ) 运算速度要快，因为运行速度的快慢直接关系到加工的效率，所以这 是我们首要考虑的问题。 ( 2 ) 易于端口扩展，这关系到硬件电路设计的繁简程度，以及软件程序设 计的难易度。 ( 3 ) 开发成本要低。 5 综合考虑上述几个原则，我们选择了a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 单片机作为 我们的下位机m c u 。 图2 1 系统总体结构框图 2 3 1a t m e g a l 2 8 概述 a t m e g a l 2 8 单片机是a t m e l 公司近几年推出的高性能、低功耗增强型a v r r i s c 结构的8 位高档单片机【5 】，芯片核心采用哈佛结构，所有的寄存器都直接与 算术逻辑单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个 独立的寄存器，这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集 ( c i s c ) 微处理器高1 0 倍的数据吞吐率。a t m e g a l 2 8 具有1 2 8 k 字节的系统内可编 程f l a s h ( 具有r w w 功能) ，这使得程序设计时不会受到程序存储空间的限制，并 且无需扩展程序存储器，a t m e g a l 2 8 可通过s p i 实现系统内编程，程序的烧录简 单可靠。具有5 3 个可编程通用i o 口线，各引脚均可独立地配置输入输出方向， 无需扩展i o 接口，使电路设计更为简便，除此之外，a t m e g a l 2 8 还具有可工作 于主机从机模式的全双工，3 线同步数据传输的s p i 串行接口，方便与外围扩展 芯片的数据通讯。 除此之外，a t m e g a l 2 8 还具有如下特点：4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的 s r a m 、3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个灵活的具有比较模式和p w m 功能的定时器计数器i f c ) 、两个u s a r t 、面向字节的两线接口t w i 、8 通道 l o 位a d c ( 具有可选的可编程增益1 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、 6 与i e e e1 1 4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ， 以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、 t c 、s p i 端口以及中断系统继续工作：掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所 有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电 模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处 于睡眠状态；a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运行，而异步定 时器和a d c 继续工作，以减少a d c 转换时的开关噪声；s t a n d b y 模式时振 荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能 力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可以通过s p i 接口、通用 编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到 应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的程序继续运行，实 现r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片 内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 a t m e g a l 2 8a v r 有整套的开发工具，包括c 编译器，宏汇编，程序调 试器、仿真器和评估板等。a v r 单片机程序的烧录非常简单可靠，配有专门 的下载器，并且用户可以根据自己的需要选择接口类型，同时提供出了下载器 的原理以及电路图，用户可以根据此资料自己制作下载器。因为a v r 单片机 的f l a s h 存储器可以重复擦除达到l 。0 0 0 次左右，如果开发者有一定的开发 经验，则不需要仿真器也能进行开发，这样就更能降低开发的成本。 2 3 2a t m e g a l 2 8 与常用单片机性能比较 目前常用的单片机种类繁多，在选型时总是让人有“乱花渐入迷人眼”感觉， 我们在m c u 选型时，首先把握的一条原则是单片机的运行速度。我们比较了 目前常用的几种单片机，譬如8 0 c 5 1 系列，8 0 c 1 9 6 系列等，具体信息如表2 1 所示，从单字节指令周期来看，a t m e g a l 2 8 的指令执行速度有很好的优势。 表2 1 几种常用单片机的比较 型号字长内核结构指令集参考时钟频 单字节指令周 室 期 8 0 c 5 18p r i n c e t o nc i s c1 2 m h z1 u s 8 0 c 1 9 61 6p r i n c e t o nc i s c1 2 m h z 7 5 0 n s a t m e g a l2 8 8h a r v a r dr i s c1 2 m h z8 3 3 n s 同时，我们参考了众多单片机的技术资料。双龙电子对表2 2 中所列出的 常用单片机作出了详细的性能测试报告【6 1 ，主要从程序代码的长度，执行程序 7 的耗时，以及芯片的功耗等几个方面作出的对比，表中括号内数据为依照 a t 9 0 s 8 5 1 5 为参考值1 ，其他各芯片的对比值( 注：a t 9 0 s 8 5 l5 为a v r 单片 机中的中档机，a t m e g a l 2 8 则为高档机) 。 表2 2c 代码下几种单片机的比较 c o d es i z ef u n c t i o nc u r r e n te x e c u t i o n s ( b y t e s ) e x e c u t i o n c o n s u m p t i o n s m w t i m e ( u s )( m a ) a t 9 0 s 8 5 1 5 4 6 ( 1 )4 2 ( 1 )1 1 ( 1 )4 3 4 ( 1 ) 8 0 c 5 111 2 ( 2 4 ) 3 9 1 ( 9 )1 6 ( 1 5 13 2 ( 0 0 7 ) 6 8 h c l l 5 7 ( 1 2 14 3 7 ( 1 0 、2 7 ( 2 5 11 7 ( 0 0 4 ) p i c l 6 c 7 4 8 7 ( 1 9 11 2 5 ( 3 )1 3 5 ( 1 2 ) 11 9 ( 0 2 7 ) 由以上信息可得到如下结论： ( 1 ) 8 m h za v r 等于2 2 4 m h z8 0 c 5 1 ； ( 2 ) 6 8 h c l l 代码效率高，但处理能力只有a v r 的1 1 0 ，功耗却高2 5 倍； ( 3 ) p i c 速度也比较快，但是在相同功耗下，a v r 性能比其高3 5 倍； 表2 中的数据是在如下所示的程序代码下测试的结果： + r e t u r nt h em a x i m u mv a l u eo f at a b l eo f l 6i n t e g e r s “ i n tm a x ( i n t + a r r a y ) c h a ra ； i n tm a x i m u m = 一3 2 7 6 8 ； f o r ( a = o ；a m a x i m u m ) m a x i m u m = a r r a y a ； r e t u r n ( m a x i m u m ) ； ) 2 4 外围芯片选型与简介 2 4 1 外部扩展数据存储器 随着加工精度要求的提高，大容量数据存储器的扩展成为激光三维加工系 统设计中要考虑的一个重要问题，考虑到当前加工的图像( 形) 信息存储量往往 达到几m 甚至几十m ，以往常用的单片机扩展存储方法因寻址能力的限制很难 实现如此大的扩展空间，所以在本设计中我们扩展了a t 4 5 d b 系列d a t a f l a s h 8 作为外部扩展数据存储器。 a t 4 5 d b 系列d a t a f l a s h 是a t m e l 公司推出的大容量串行f l a s h 存储器 j ， 具有容量大、读写速度快、外围电路少等优点，采用n o r 技术制造，可用于 存储数据或程序代码，此系列存储器容量较大，从1 m b 到2 5 6 m b ，均可采用 s p i 接口进行读写，所以可以根据实际需要选择合适容量的存储器，而其圄件 程序具有通用性，所以只需在硬件电路中更换存储芯片即可，无需再进行软件 的开发，便于系统的升级，减少了开发工作量。此外，a t 4 5 d b 系列存储器工 作电压较低，只需2 7 - 3 6 v ，整个芯片的功耗也比较小，典型的读取电流为4 m a ， 待机电流仅为2 u a 封装尺寸较小，最小封装型式( c b g a ) 尺寸仅为6 r a m * 8 m m 。 本文论述的系统中我们采用的存储器是a t 4 5 d b 6 4 2 d t u ，该芯片兼容 s p im o d e0 和m o d e3 方式，最大时钟频率可达到6 6 m h z 。a t 4 5 d b 6 4 2 d 共 有6 9 ，2 0 6 ，0 1 6 位存储单元，分为8 ，1 9 2 页。每一页存储1 0 2 4 1 0 5 6 字节，每8 页 构成一个块，共1 0 2 4 块。主存储区支持页擦除、块以及整片芯片擦除操作，此 外还集成有两个s r a m 缓冲区，每个缓冲区有1 0 2 4 1 0 5 6 字节。当主存储区 处于擦、写操作过程时。缓冲区仍能够接收输入的数据，这种结构极大的提高 了数据吞吐量。a t 4 5 d b 系列d a t a f l a s h 使得硬件设计方便系统可靠性增强， 并且把开关噪声降到最低。 2 4 2d a 转换器模块 d a 转换器的选型主要从如下几个方面来考虑： ( 1 ) 分辨率：分辨率应视实际加工的具体要求而定。在我们设计的系统中根据 振镜工作范围与精度的要求，本系统采用1 2 位d a 转换器( o 4 0 9 5 ) 。 ( 2 ) 转换速度：d a 转换器的转换速度是影响激光加工效率的一个重要因素， 根据实际经验值，转换速度在1 0 u s ；左右就能够很好的适应实际需求。 ( 3 ) 接口及兼容性：d a 转换芯片与单片机的接口应尽量简单，如果能实现不 需要外接其他元件和调整即可与a t m e g a l 2 8 单片机相连最好。 ( 4 ) 锁存特性及转换控制：本系统中需要对多维振镜控制，即对x 、y 数字量同 时进行转换，要求d a 转换器应具有输入锁存器以及转换控制功能，实现单片 机对不同振镜的分时控制。 由于a t m e g m 2 8 单片机具有高速易用的s p i 串行通讯接口，允许 a t m e g a l 2 8 和外设之间进行高速的同步数据传输，综合考虑上述原则以及 a t m e g a l 2 8 的外部接口，所以d a 转换器我们选择了1 2 位串行接口双通道数模 转换器m a x 5 3 2 2 。 m a x 5 3 2 2 拥有一个快速的1 0 m h zs p i r m q s p i a m i c r o w i r e t m 兼容串 行接口，采用士1 2 v 至士1 5 v 模拟电源电压供电，可提供双极性士5 v 至+ 1 0 v 输出， m a x 5 3 2 2 具有极佳的线性度，积分非线性度( i n l ) 和微分非线性度( d n l ) 保证 9 为士1 l s b ( 最大) ，0 5 l s b 建立时间只有1 0 i t s ，装载d a c ( l d a c ) 输入可以对 输出进行异步刷新【8 】。 2 5u s b 通讯模块方案选择 u s b 技术以其速度快、成本低廉等诸多优点已逐步占领了p c 及其外围 设备市场，以往常用的并口和串口已经在现在的某些p c 机上消失。随着大量 支持u s b 计算机的普及，u s b 成为p c 机的标准接口已经是大势所趋，为了 适应当前及以后的计算机接口类型，提高产品的兼容性，设计激光加工设备通 过u s b 接口实现数据传输，具有积极的意义。 2 5 1 几种u s b 接口设计方案的对比 在进行一个u s b 设备开发之前，首先要根据具体使用要求选择合适的u s b 控制器。实现u s b 设备与计算机之间的接口连接，通常的做法有以下的两种p j ： 一种就是采用带有u s b 接口电路的单片机，这种单片机的芯片上集成了 u s b 接口电路，可以直接处理u s b 传输线上的数据。如i n t e l 的 8 x 9 3 0 a x ，c y p r e s s 的e z u s b ，s i e m e n s 的c 5 4 1 以及m o t o l o r a ，n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r s 等公司的产品。采用这种结构的设备外围电路简单，设计方便， 周期短，但这些要采用专业的开发设备，且投资高。 另一种是采用分离的u s b 接口芯片和微处理芯片。u s b 接口芯片，是指芯 片厂商生产的可以用单片机控制的，带有u s b 电气接口，并完成将u s b 总线中 的物理信号同单片机可以识别的t t l 电平信号之间相互转换的接口芯片。u s b 接口芯片常见的有p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) ，p d i u s b d l l a ， p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 2 ，u s b n 9 6 0 4 等。 接口芯片作为单片机的外围器件与单片机及单片机的其它外围电路共同组成的 u s b 设备。采用这种结构开发u s b 设备成本较低，可靠性高。 对比上述两种方案，我们选择了第二种，并且我们选择了p h i l i p s 的u s b 接口器件p d i u s b d l 2 。 2 5 2p d i u s b d l 2 接口芯片简介 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件【l 们，它通常用作微控制器系统中 实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，它还支持本地的d m a 传输。这 种实现u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择 出最合适的微控制器，这种灵活性减小了开发的时间、风险以及费用。通过使 用已有的结构和减少固件上的投资从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外 设的解决方案。p d i u s b d l 2 符合u s b 2 0 版的规范( b a s i cs p e e d ) 。它还符合 大多数器件的分类规格：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人 机接口设备。同样地，p d i u s b d l 2 理想地适用于许多外设，例如：打印机、扫 1 0 描仪、外部的存储设备( z i p 驱动器) 和数码相机等等。它使得当前使用s c s i 的系统可以立即降低成本。p d i u s b d l 2 所具有的低挂起功耗连同l a z y c l o c k 输 出可以满足使用a c p i ，o n n o w 和u s b 电源管理的要求，低的操作功耗可以应 用于使用总线供电的外设。此外它还集成了许多特性，包括s o f t c o n n e t 、 g o o d l i n k l m 可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，所有这些特性都 为系统显著节约了成本，同时使u s b 功能在外设上的应用变得容易。 因此，本文选择的方案是a t m e g a l 2 8 单片机控制p h i l i p s 公司生产的 u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 。单片机控制器作为下位机，通过u s b 接口芯片和 u s b 总线与p c 机交换数据，并实现u s b 设备的逻辑功能。 第三章控制系统硬件电路设计 激光加工控制系统是激光加工设备的核心部分，设备的各部分都是在它的 控制与协调下完成加工任务，因此控制系统的性能决定了整个加工设备的性能。 控制系统的硬件设计是根据预期的加工技术指标和所要实现的功能来进行的系 统整体设计和功能的具体实现。 我们设计的激光加工控制系统的硬件主要包括以下几个模块： ( 1 ) 基于s p i 串行接口的数据存储器的扩展； ( 2 ) 用于双振镜扫描系统控制的d a 转换电路的设计； ( 3 ) 三维运动平台的控制； ( 4 ) 激光器的控制； ( 5 ) 基于u s b 总线的通信模块的设计； ( 6 ) 显示电路、键盘控制电路等用户交互模块的设计； ( 7 ) 系统电源模块、复位电路等模块的设计。 3 1s p i 串行通讯接口原理 同步串行接i e i s p i 允许a t m e g a l 2 8 和外设之间进行高速的同步数据传输 1 1 1 1 1 2 。a t m e g a l 2 8 单片机的s p i 采用全双工的3 线同步数据传输，可以配置成 主机或从机操作；可以配置l s b 首先发送或m s b 首先发送；具有7 种可编程的比 特率；具有传输结束中断功能；具有写碰撞标志检测功能；可以从闲置模式唤 醒；作为主机时具有双速模式( c r 0 2 ) 。 系统包括两个移位寄存器和一个主机时钟发生器。通过将需要的从机的s s 引脚拉低，主机启动一次通讯过程。主机和从机将需要发送的数据放入相应的 移位寄存器。主机在s c k 引脚上产生时钟脉冲以交换数据。主机的数据从主机 的m o s i 移出，从从机的m o s i 移入；从机的数据从从机的m i s o 移出，从主机的 m i s o 移入。主机通过将从机的s s 拉高实现与从机的同步。 配置为s p i 主机时，s p i 接口不控制s s 引脚，必须由用户软件来处理。对s p i 数据寄存器写入数据即启动s p i 时钟，将8 比特的数据移入从机。传输结束后s p i 时钟停止，传输结束标志s p i f 置位。如果此时s p c r 寄存器的s p i 中断使能位s p i e 置位，中断就会发生。主机可以继续往s p d r 写入数据以移位到从机中去，或者 是将从机的s s 拉高以说明数据包发送完成。最后进来的数据将一直保存于缓冲 寄存器里。 配置为从机时，只要s s 为高，s p i 接口将一直保持睡眠状态，并保持m i s o 为三态。在这个状态下软件可以更新s p i 数据寄存器s p d r 的内容。一个字节完 全移出之后，传输结束标志s p i f 置位。如果此时s p c r 寄存器的s p i 中断使能位 1 2 s p i e 置位，中断就会发生。在读取移入的数据之前从机可以继续往s p d r 写入 数据。最后进来的数据将一直保存于缓冲寄存器里。 s p i 系统的发送方向只有一个缓冲器，而在接收方向有两个缓冲器。也就是 说，在发送时一定要等到移位过程全部结束后才能对s p i 数据寄存器执行写操 作。而在接收数据时，需要在下一个字符移位过程结束前通过访问s p i 数据寄存 器读取当前接收到的字符。否则第一个字节将丢失。工作于s p i 从机模式时，控 制逻辑对s c k 引脚的输入信号进行采样。为了保证对时钟信号的正确采样，s p i 时钟不能超过f o s c 4 l ”儿“】。 s p i 的主从机连接如图3 1 所示 5 1 ： 图3 1s p i 主机从机的互连 3 2a t 4 5 d b 系列存储器的扩展 a t 4 5 d b 系列存储器容量范围较大，从1 m b 到2 5 6 m b ，可以根据实际需要 选择合适容量的存储器，并且其固件程序具有通用性，所以只需在硬件电路中 更换存储芯片即可，无需再进行软件的开发，便于系统的升级，减少了开发工 作量。