（光学工程专业论文）基于dsp的激光打标控制器设计.pdf

基于d s p 的激光打标控制器设计 摘要 传统的激光打标控制器主要以单片机作为处理器，采用计算机主板的p c i 插槽与计算机连接。单片机控制的打标系统难以处理高速并行d a 的转换和大 量打标数据的传输，打标速度和精度提升空间较小。使用p c i 插槽则使控制器 的安装、拆卸很不方便；并且控制器输出的模拟电压信号在传输线上易受到干 扰，造成打标精度下降。为了弥补这些缺陷，本文根据实际需求，开发出了基 于d s p 处理器和u s b 接口的激光打标控制器及其系统软件。 本文开发的激光打标控制系统采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为处理器，通过 u s b 接口传输数据，用c p l d 扩展i 0 接口，利用了一个4 路输出的高速d a 转换器来控制扫描振镜和激光电源功率，并具有按键和l c d 显示屏用于人机交 互。高性能d a 转换模块使激光打标的速度和精度有很大提高，u s b 接口技术 使打标控制器可以即插即用，既提升了数据传输的稳定性又方便了装卸。 激光打标控制器上位机用户软件用v b6 0 编程，并根据点阵打标和矢量打 标这两种打标方式将打标字符、图片处理成固定格式的打标数据，给出了打标 程序流程图。打标数据通过u s b 接口传输到下位机。下位机芯片固件程序采用 相应的软件开发环境进行编程，详细介绍了u s b 固件开发流程。最后给出了打 标控制器的测试结果。本文详细的描述了打标控制器软硬件系统，开发出的系 统在功能、性能上均达到了理想的效果。 关键词：激光打标；d s p ；控制器；u s b 接口；打标软件 i l l d e s i g no fl a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rb a s e do nd s p a b s t r a c t t r a d i t i o n a ll a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rg e n e r a l l yb a s e do nm c u ，a n du s i n gp c i s l o t st oc o n n e c tw i t hc o m p u t e r m c u - c o n t r o l l e dm a r k i n gs y s t e m sa r ed i f f i c u l tt o d e a lw i t hh i g h s p e e dp a r a l l e ld ac o n v e r t e ra n dal a r g en u m b e ro fm a r k i n gd a t a t r a n s m i s s i o n ，t h es p e e da n da c c u r a c yo fl a s e rm a r k i n ga r eh a r dt op r o m o t e u s i n g t h ep c is l o tm a k et h ei n s t a l l a t i o na n dd i s m a n t l eo ft h ec o n t r o l l e rn o t v e r y c o n v e n i e n t ；a n dt h ea n a l o gv o l t a g eo u t p u to ft h ec o n t r o l l e ri nt h ew i r ea r e v u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c e ，m a k i n gt h ea c c u r a c yo fm a r k i n gd e c r e a s e i no r d e rt o c o m p e n s a t et h e s ed i s a d v a n t a g e s ，al a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rb a s e do nd s pp r o c e s s o r a n du s bi n t e r f a c eh a sd e v e l o p e di nt h i s p a p e r , l a s e rm a r k i n gs o f t w a r ei s a l s o m e n t i o n e d t h i sl a s e rm a r k i n gc o n t r o ls y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 f 2 812d s pa st h ep r o c e s s o r ， t h r o u g ht h eu s bi n t e r f a c e t ot r a n s m i td a t a ，c p l di su s e dt oe x t e n s i o ni o i n t e r f a c e s ，af o u r - o u t p u td ac o n v e r t e ru s e dt oc o n t r o lt h es c a n n i n gg a l v a n o m e t e r a n dl a s e rp o w e r ，a n dh a sb u t t o n sa n dl c d d i s p l a yf o rh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n h i g hp e r f o r m a n c ed ac o n v e r t e rm o d u l eg r e a t l yi m p r o v el a s e rm a r k i n gs p e e da n d a c c u r a c y , u s bi n t e r f a c em a k el a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rs u p p o r tp l u ga n dp l a y , e n h a n c et h es t a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o na n dc o n v e n i e n tt h ei n s t a l l a t i o na n d d i s m a n t l e l a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rh o s tm a c h i n es o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c 6 0 ，c h a r a c t e r sa n di m a g ep r o c e s s e di n t of i x e df o r m a tm a r k i n gd a t aa c c o r d i n gt o d o t - m a t r i xo rv e c t o rm a r k i n g ，m a r k i n gp r o g r a mf l o wd i a g r a m sa r eg i v e n m a r k i n g d a t at r a n s f e rv i au s bi n t e r f a c et ot h el o w e rm a c h i n e l o w e rm a c h i n ef i r m w a r ea r e d e v e l o p e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n ge d as o f t w a r e ，t h eu s bf i r m w a r ed e v e l o p m e n t p r o c e s si sd e s c r i b e di nd e t a i l f i n a l l y ，l a s e rm a r k i n gc o n t r o l l e rt e s tr e s u l t sa r eg i v e n a w a y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em a r k i n go ft h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m s ，t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mh a sr e a c h e dd e s i r e dr e s u l t s k e y w o r d s ：l a s e rm a r k i n g ；d s p ；c o n t r o l l e r ；u s bi n t e r f a c e ；m a r k i n gs o f t w a r e ； i v 插图清单 图1 1 掩模式打标原理图2 图1 2 振镜式激光打标原理3 图2 1d s p 的功能框图8 图2 2c c s 软件界面9 图2 3e z u s bf x 2 的功能结构图1 1 图3 1 控制器的原理框图1 5 图3 2 直流电源电路1 6 图3 3u s b 接口电路图1 7 图3 4 e e p r o m 电路图1 7 图3 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 外部接口分区1 8 图3 6 外部接口6 区的s r a m 1 9 图3 7a d 7 8 3 6 功能结构原理图2 0 图3 8 + 2 5 v 电压基准2 0 图3 9 2 5 v 电压基准2 1 图3 1 0d a 转换模块电路2 1 图3 1 1d s p 和a d 7 8 3 6 的连接2 2 图3 1 2 扩展中断按键2 3 图3 1 3l c d 接口图2 4 图4 1 控制系统的总流程图。2 5 图4 2 激光打标控制系统用户界面2 6 图4 3 图形的点阵打标程序流程图。2 8 图4 。4 汉字点阵2 9 图4 5 汉字外形轮廓显示效果3 0 图4 6 矢量字符打标程序流程图3 2 图4 7u s b 接口数据传输过程的流程图3 3 图4 8u s b 芯片固件程序流程图3 6 图5 1u s b 接口与s r a m 传输数据3 8 图5 2d a 转换输出的电压波形3 8 图5 3 金属材料上的打标3 9 图5 4 塑料基底材料上的文字打标3 9 图5 。5 图形打标3 9 v i i i 表格清单 表4 1 固件程序文件主要功能3 7 i x 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志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 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。 学位论文作者签字：急丑俊签字日期口d 年j 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥匿工些太堂有关保留、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 查阅或借阅。本人授权佥壁王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内 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) 学位论文者签名：厚玉侵 签字日期：少绰厂月j 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 本论文是在导师吴本科副教授的悉心指导下完成的。在合肥工业大学七年 中吴老师忘我的敬业精神、严谨的治学态度以及科学的工作方法都给我留下了 深刻的印象，让我受益匪浅；吴老师平易近人的态度、无微不至的关怀，使我 倍感温馨。这些将是我今后生活工作中永远的榜样。我在此论文完成之际，向 吴老师表示深深的感谢。师恩难忘，铭记一生。 在这三年学习中，得到了袁自钧老师的极力帮助和指导。每念及此，心中 有愧。我只有在以后的生活工作中奋发努力，才能报答袁老师的辛苦栽培。 深深感谢电子科学与应用物理学院高峰、陈向东、邓小玖、罗乐、程萍、 叶兵、杨继平老师的教育和指导，他们给我的学习工作提出了很多启发和建议。 在课题研究过程中，得到了赵永礼师兄、徐兴建同学的帮助和合作，他们 对工作的认真负责和钻研精神让我深受感触。 在研究生三年的学习期间，得到光学工程专业的张青、丁晨、朱海金、夏 天荣、徐兴建、马明俊、杨秋萍、谢敏等同学的关心和帮助，同窗之间的深厚 情谊永远长存。感谢所有帮助关心过我的合肥工业大学的老师同学，我的学习 过程离不开他们的帮助。 深深感谢我的父母和亲人，他们多年来在我生活、学习上给予了热情鼓励、 殷切期望，时时鞭策着我不断进步。 v 作者：唐玉俊 2 0 1 0 3 第一章绪论 1 1 激光打标概述 激光打标技术是从二十世纪九十年代开始兴起的新型激光加工技术，是激 光在工业加工领域的一项重要应用。激光打标是在激光焊接、激光切割、激光 热处理、激光打孔等应用技术之后发展起来的，是一种非接触、无污染、无磨 损的新标记工艺。激光打标原理是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射， 将激光光能转换为热能，使工件表面层材料颜色改变的化学反应或熔化，甚至 汽化，从而形成图文标记。 激光打标与多种传统如喷墨打印、熔模等标记方法相比有明显的优点，激 光打标应用范围广泛、非接触加工( 工件无机械变形) 、不易磨损、打标速度快 且精度高、易于计算机控制等优点【1 】 2 11 3 】。 目前，正在广泛应用激光打标的行业有精密量具、仪器仪表、包装工业、 医疗产品、家用电器、广告标牌、证件卡片、各种电子电器元件、珠宝钻石等 领域。标记对象的材料几乎没有限制，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、 橡胶、陶瓷、木材、皮革制品、各种高熔点金属材料，一直到食品包装、药品 包装等1 4 j 。 1 2 激光打标机组成 振镜式激光打标机由激光器、光路系统、打标控制器、计算机和辅助系统 等组成【引。 激光器的种类很多，但其产生激光的原理基本相同，由泵浦激励系统、激 光工作物质和光学谐振腔三部分组成。激光打标系统根据所采用的激光器的不 同，可分为如y a g 、c 0 2 、半导体泵浦固体激光器和光纤激光器等激光打标系 统。激光打标控制器需要发出多种电平信号控制激光器的开关、激光功率、脉 冲频率。激光束需要光路系统对其进行折射、反射、扩束、聚焦等处理才能达 到一定的光斑大小、能量要求。光路系统有扩束镜、f0 透镜、扫描振镜等组成。 计算机安装了激光打标用户软件，作为打标控制器的上位机进行人机交互。激 光打标系统通常还需要冷却、直流供电等辅助系统才能正常稳定工作。 1 3 激光打标系统的分类 目前，激光打标系统按照工作方式可分为掩模式打标、阵列式打标和普遍 采用的扫描式打标三种【6 1 。 1 3 1 掩模式打标 掩模式打标法通常又称为投影式打标法。掩模式打标法需要预先在模板上 将需要打标的数字、字符、条码或图形等图案雕空，做成一张掩模。工作原理 如图1 1 所示，激光经过扩束镜扩束成平行光，均匀地照在掩模上，光可以从 掩模板上雕空的区域透射。掩模上的图形通过透镜成像到标记工件上。通常每 次脉冲即可形成一个标记。受激光辐射的工件表面即可形成清晰的标记图案。 掩模法打标主要优点在于一次激光脉冲就能打出一个完整的、包括各种符号的 标记，打标速度快，适用于大批量的相同产品图案打标。掩模打标法一般采用 c 0 2 激光和准分子激光。其缺点也显而易见，主要有：不易实时修改打标内容； 需要较高能量的激光器支持，能量利用率低等。 图1 1 掩模式打标原理图 工件 1 3 2 阵列式打标 阵列式打标中，使用一台或几台小型激光器同时发射脉冲，经反射镜和聚 焦透镜后，一个或几个激光脉冲在被标记材料表面上打出大小及深度均匀的小 凹坑。每个图案、字符都是由小圆凹坑构成的，一般是竖笔划7 个点，横笔划 5 个点，从而形成阵列。阵列式打标主要用于英文、数字字符打标，打标图案 不能过于复杂，对汉字打标不适用。 1 3 3 扫描式打标 扫描式打标系统通常由打标控制器、激光器和x y 轴扫描机构三部分组成， 其工作原理是将需要打标的字符或图案输入到打标控制器，打标控制器按照扫 描路径程序控制激光器和x y 扫描机构，控制激光光斑在被加工工件表面上有 序扫描，从而在材料表面留下永久的标记。常用的x y 轴扫描机构有两种结构 形式：一种是机械扫描，另一种是振镜扫描。 机械扫描打标常利用步进电机组成二维运动控制平台，运动平台的移动使 激光在工件表面相对移动从而实现打标。这种扫描装置比较简单，易于控制， 打标范围大，造价较低。缺点是受步进电机技术参数限制，打标速度比较慢， 打标精度低。目前机械扫描打标在纪念品的雕刻、印章雕刻等行业有广泛的市 2 场和应用。 振镜扫描打标原理是将激光束入射到两片垂直安装的反射镜上，用模拟信 号控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别控制激光沿x 、y 轴扫描，从 而使激光束偏转，如图1 2 所示。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设 计思路完全按照指针式电流表的设计方法，只不过反射镜片取代了表针，而探 头的信号由计算机控制的5 v - + 5 v 或1 0 v - + 10 v 的模拟电压信号取代，以完成 预定的偏转角度。在振镜扫描式控制系统中，可以使用负反馈回路和位置传感 器，进一步保证了打标系统的精度，整个系统的扫描速度也达到了新的水平。 图1 2 振镜式激光打标原理 振镜式激光打标机的优点是：打标速度快、打标精细，可以进行各种精细的 文字、图案打标。这种打标机的适应性很广，已经成为打标机的主流类型，是 目前普遍采用的一种打标方式。 1 4 激光打标技术应用现状和发展前景 近年来，随着激光器的实用性和可靠性的提高，加上计算机技术的迅速发 展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。激光打标系统是其中代表 产品之一，其在激光加工设备中的比例最高而且正在逐年提高。激光打标系统 的销售额在逐年稳步迅速提高，其占激光加工销售总额的比例也在不断增加。 y a g 激光打标机在激光标刻系统中占据着主导地位，但各种新型的激光打标设 备如光纤激光打标机等正逐渐受到重视。 由于y a g 激光器泵浦效率很低，还要有庞大的冷却系统，通常y a g 激光 打标机的能量利用率低，体积大。近几年出现的半导体侧面泵浦激光打标机的 固体激光器，总体转换效率可达2 0 以上，体积小巧，能量利用率高。而最新 出现的光纤激光打标机，具有超高的电光转化效率、单模光纤传导激光光束、 超高的可靠性以及免维护等一系列优点，因而成为最有发展前景的激光打标机 【7 1 。 按照全球对激光加工系统销售总量的统计，激光打标机仅次于激光切割机， 占第二位。近年来，激光打标机销售量已经接近激光切割机，各占总量的1 3 左右。在我国，激光打标机的销售额一直占国内激光加工设备销售额的5 0 以 上，是国内市场上的主要应用领域，应用面极其广泛。激光打标机年销售台数 约为4 0 0 0 5 0 0 0 台。它所采用的激光器有灯泵n d ：y a g 激光器，玻璃管或金属 腔的c 0 2 激光器。近年，光纤激光器和全固态激光器正大量应用到打标行业， 并受到广泛欢迎。打标机可对零件在固定工作台上打标也可在流水线上对产品 进行飞行打标。我国生产打标机较知名企业有大族激光、华工激光、大恒激光、 楚天激光、桂林星辰激光等公司，还有众多生产激光打标机的中小企业也是重 要的组成部分，它们一起把我国的打标机市场做得越来越大，应用面越来越宽 【8 】 o 目前表面装饰用的激光打标仅占1 0 的市场份额。多数情况下，激光打标 出的字符是高对比度的单色标记，表亟装饰用户需求用激光打标出有全彩色的 字符和图形组合图案。彩色激光打标是激光打标的一个重要发展方向。主要是 用原有的各种灰度的激光打标系统配合特殊的打标基质材料，这些基质主要由 树脂、颜料和多种添加剂组成。激光彩色打标技术尚未成熟，一旦实现商品化 将会产生巨大的经济效益f 9 j 。 激光打标相对传统打标虽然有很大的优越性，但初始设备成本很高，造成 很多打标需求不大的用户不易接受。激光打标的功能提高有待激光器、各种工 业控制处理器、扫描振镜的速度、精度的提高。伴随激光器的价格的下降和性 能的提高，激光打标机的使用将会更加普及。 1 5 本学位论文研究的主要内容 目前，市场上的激光打标控制器主要以单片机作为处理器，采用计算机主 板的p c i 插槽与计算机连接。单片机控制的打标系统难以处理高速并行d a 转 换和大量打标数据的传输，打标速度、精度提高空间较小。使用p c i 插槽则使 控制器的安装、拆卸很不方便；并且控制器输出的模拟电压信号在传输线上易 受到干扰，造成打标精度下降。本课题设计出的系统采用计算机为上位机，t i ( 德州仪器) 公司的工业控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为下位机处理器，用 c p l d 扩展i o 接口，通过u s b 接口传输数据，高速d a 转换器控制振镜实现 激光打标；使用v b6 0 编程软件编制操作控制用户界面来控制系统。 计算机和高性能d s p 结合的系统控制方式具有明显的优越性，具有精度 高、速度快、集成度高等特点；系统中采用c p l d 扩展i o 接口，使开发出的 控制器电路简化：通过u s b 接口传输数据，装拆方便，打标数据能高速传输； 系统具有良好的入机交互平台，不仅可以在计算机上详细设置打标参数并打标， 还可以使用扩展的键盘和l c d 显示屏进行脱机打标。这极大地简化了大批量的 4 重复打标，也使打标机的操作简单易用。本论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 进行了激光打标控制器控制二维振镜扫描系统整体方案的设计。系统使 用d s p 作为下位机的处理器；应用u s b 接口进行数据传输；用g p l 0 口( 通用输 入输出接口) 控制激光电源开关；两种打标方式点阵打标和矢量打标的打标数 据生成方法等。 ( 2 ) 完成了激光打标控制器硬件和软件的总体设计。从芯片选型到各模块电 路的具体设计。硬件电路设计主要使用p r o t e ld x p 软件完成。利用k e i l u v i s i o n 2 和e z u s bc o n t r o lp a n e l 完成u s b 固件的编写和下载，使用m a x + p l u s i i 软件和硬件描述语言v e r i l o gh d l 完成c p l d 代码编写，用c c s 作为d s p 软件 开发工具。 ( 3 ) 对控制系统调试运行，包括控制器的各路输出信号检测，对打标控制系 统的速度和精度进行调整。 1 6 本论文的结构 本论文设计了一种基于d s p 的激光打标控制器，结构安排如下： 第一章为绪论部分。介绍了激光打标的原理、分类和发展前景；根据当前 激光打标系统的研究现状，提出了一种新型的基于d s p 的激光打标控制系统： 最后给出了本论文的主要内容。 第二章介绍激光打标控制系统组成。主要是系统组成结构、各种处理芯片 性能原理、软件开发平台和u s b 通讯原理。 第三章详细阐述了激光打标控制器的硬件电路设计。首先，从总体上给出 原理框图。其次，介绍各个模块的电路设计，并给出详细的p r o t c l 电路原理图。 还介绍了各模块的功能和工作原理。 第四章是激光打标控制系统软件开发。主要介绍激光打标控制器的软件界 面和各种打标方法的软件流程。 第五章激光打标控制系统实验。给出了u s b 接口传输数据和d a 转换输 出的实验结果，以及打标控制器工作时打标效果图片。 第六章是结论与展望。总结工作内容，并对后续进一步研发和完善提出意 见。 5 第二章激光打标控制系统处理器和开发环境 激光打标控制系统处理器采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ；d s p 用c c s 作为开发 软件；u s b 接口进行数据传输；c p l d 用来扩展d s p 的i o 接口，以下介绍各 部分的硬件性能参数及u s b 通讯协议。 2 1 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 功能概述 处理器是整个激光打标控制系统的核心，它的处理器频率、工作电压等多 个性能参数不但决定了整个系统运行处理速度，还直接影响系统硬件电路设计 的复杂程度、开发周期和系统的成本等。所以处理器的选择是硬件电路设计的 首要确定的任务。针对系统的高速度、高精度的要求，综合各种因素，控制系 统最后采用t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 作为处理器。 t m s 3 2 0 f 2 8 l x 系列d s p ( 数字信号处理器) 是t i 公司近年来推出的数字信号 处理器，该系列处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 内核的定点数字信号处理器。它 同时具有微控制器和数字信号处理器两者的特点，其中包括可调整的哈佛总线 结构和循环寻址方式。精简指令系统( r i s c ) 使得c p u 能够单周期地执行寄存器 到寄存器的读写操作，并且可调整的哈佛总线结构能够工作在冯诺依曼模式。 微控制器的特点主要包括字节的拆分与组合、位操作等。哈佛总线结构能够完 成指令的并行处理，在单周期内通过流水线完成指令和数据的同时提取，从而提 高了处理器的实时处理能力【l0 1 。 t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 有如下特点【1 1 】： 高性能静态c m o s 技术 1 5 0 m h z 振荡频率( 6 6 7 n s 单指令周期) ； 低功耗设计( 1 3 5 m h z1 8 v 内核工作电压，3 3 v 的i 0 引脚电压) ； 3 3 v 的f l a s h 电压。 高性能3 2 位c p u 处理 1 6 1 6 位和3 2 * 3 2 位乘加操作； 快速中断响应和处理： 4 m 的线性程序、数据地址； 片内存储器主要有 f l a s h ( 闪存) ：共可达1 2 8 k * 1 6 位的f l a s h ( 4 个8 k * 1 6 和6 个1 6 k * 1 6 的区间) ； r o m ( 只读存储器) ：可达1 2 8 k * 1 6 的r o m ； l o 和l 1 ：两块4 k * 1 6 的单存取r a m ( s a r a m ) ； m 0 和m 1 ：两块1 k * 1 6 的s a r a m ； h 0 ：一块8 k 串1 6 的s a r a m 。 6 引导r o m 标准的数学函数表； 软件引导运行模式。 外部接口 最大可扩展达1 m 的外部存储器空间； 可编程的等待状态； 可编程的读写选通定时； 3 个扩展出的独立的片选，可作为其它芯片的控制信号。 外围中断扩展功能可支持4 5 个外围中断 时钟和系统控制 锁相环( p l l ) 的参数值可以以o 5 倍主频改变； p w m 波步进电机控制外围信号 专用的已配置的两个事件管理器( e v a 和e v b ) 。 系统支持的串行接口外围主要有 两个串行通信接口( s c i ) ，标准u a r t 接口 串行外设接口( s p i ) ； 增强型c a n 总线( e c a n ) 通讯； s p i 模式多通道缓冲串口( m c b s p ) 。 可达5 6 个独立可编程的多路通路输入输出( g p i o ) 引脚 先进的仿真特性 硬件实时调试； 分析和断点设置功能，方便程序调试。 支持软件开发工具包括如下 兼容t m s 3 2 0 c 2 4 x 2 4 0 x 处理器指令； 代码设计师工作室( c c s ) 软件开发平台； 基于d s p 的基本输入输出系统( d s p b i o s ) 配置； j t a g 接口扫描控制器； 数字化步进电机控制算法集成于寄存器指令系统。 低功耗模式和具备功率节省模式 可关断单个外围时钟； 支持i d l e ，s t a n d by ，及h a l t 模式。 d s p 的硬件资源详见d s p 的功能框刚12 1 ，如图2 1 所示： 7 图2 id s p 的功能框酬 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 软件开发平台c c s 简介 从目前各个生产d s p 的公司产品来看d s p 处理器发展趋势是专用化、复 杂化及更新速度快，d s p 的应用也向着多通道、多处理发展，变得越来越复杂。 市场对基于d s p 的产品需求量越柬越太，d s p 处理器厂家问的竞争也越来越激 烈，因此对软件开发效率的要求也越来越高。对于开发者而言需要追求高效的 开发工具，能在尽量短的开发周期内充分利用d s p 的速度和各种扩展功能等。 c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 是t i 公司推出的一个集成性d s p 软件开发工具t t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的开发环境是“代码设计师工作室( c c s ) ”的软件，本文 中d s p 开发使用的版本是c c s 22 ，c c s 的软件界面如图2 2 所示。 c c s 软件开发的完整的标准工程文件由许多文件组成t 其中只有一个c 格 式文件含有主函数m a i n ( ) ，称为主程序，其他c 文件则是一些相关的子程序， 如定时器、中断、系统初始化设定等子程序，这些可执行的c 文件一般都放在 工程文件的s o u r c e 路径下。工程中一般还有h 文件，h 文件中按照各种外设和 c p u 资源定义了各种寄存器， 文件放在工程中i n c l u d e 路径下。 编译程序在编译时会分别编译所有的子程序和库文件再用链接嚣将所有 的o b 文件链接起来。编译功能把c 源文件转化为汇编文件，期间的转化有一 定的规则。最后通过链接命令，结合链接文件，把文件链接成为可执行的o u t 文 件 图2 2 c c s 软件界面 得到可执行文件后，通过c c s 的l o a dp r o g r a m 功能，把o u t 文件加载到 d s p 内部其地址由链接文件规定。加载成功后可以在c c s 中运行输出o u t 文件 并相应进行调试】。 2 3u s b 接口通讯协议及通讯芯片 231u s b 总线简介 u s b 总线是通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 的简称，是由i n t e l 、 m i c r o s o f t 、d i g i t a l 、i b m 、c o m p a q 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等7 家世界著名 的计算机和通信公司联合推出的一种新型串行接口标准。它逐渐成为一种通用 连接接口技术实现外设的简单快速连接，具有扩展p c 连接外设范围、降低 成本、方便用户等诸多优点。u s b 接口本身就可以为外接设备设提供电源，而 不像普通的使用串、井口的设各需要单独的供电系统。另外，数据传输快速是 u s b 技术的突出特点之一，u s b 设备的最高传输速率可达1 2 m b p s 。 u s b 支持在主机与各种外设之间进行即插即用的数据传输。支持外设在开 机状态下热插拔晟高可串接1 2 7 个外设。一个完整的u s b 总线系统可以分为 三部分：u s b 总线的主机、u s b 总线的设备以及它们之间的互连。在任何u s b 总线系统中，只能有一个硬件设备作为主机，任何一次u s b 数据传输都必须由 主机发起和控制。主机系统中提供u s b 总线接1 3 驱动的固件模块，称作u s b 总线主机控制器。主机系统中整合有u s b 总线的根( 节点) 集线器，通过次级的 集线器则可以连接更多的u s b 外设i l ”。 232 u s b 总线数据传输类型 u s b 总线基本的数据传输类型包括如下四种：批量传输、控制传输、同步传 输、中断传输1 1 4 1 。 ( 1 ) 批量传输：用于数据总量大的、突发性的传输。由于对出错的数据可以 主动重新发送，批量传输优点是可以确保数据无误的传送。 ( 2 ) 控制传输：用于发送主机应答u s b 外部设备的多种请求信息，主要包 括读取设备信息及设备状况配置、设备地址设置、设备属性设置、控制命令发 送等功能。由于其与u s b 设备如何运行指令直接相关，它使用了最广泛的u s b 错误监测机制。 ( 3 ) 同步传输：用于实时性要求严格并又有较强容错性的数据流水传输，或 者用在要求数据传输率恒定的应用中。这种传输模式不使用纠错机制。 ( 4 ) 中断传输：主要用来支持那些偶尔需要对少量数据进行相互通讯，且传 输时间却不长的设备。 2 3 3u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 在进行u s b 设备前，首先要根据系统实际要求选择合适的u s b 芯片。实 行u s b 接口的简单方法就是利用专用的u s b 接口芯片，这样开发人员只要选 择接口芯片、设计用户逻辑的接口电路、e e p r o m 的接口电路和配置即可，从 而大大的减少了开发人员的工作量。c y p r e s s 的u s b 总线接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 有内置m c u ，芯片内部包含用户通用的8 0 5 1 微处理器，大量用户对8 0 5 1 微处 理器的程序开发比较熟悉，技术文档也比较全面，很容易上手开发，c y p r e s s 还附带有大量的源代码和事例例程，使得开发出u s b 产品的速度进一步加快。 本激光打标控制器选用的u s b 控制器采用c y 7 c 6 8 0 1 3 - 5 6 p v c ，从技术、成本、 传输速度等各方面统筹来说是比较可行的选择。 c y 7 c 6 8 0 1 3 是一款集成u s b 2 0 的微处理器，它集成了u s b 2 0 收发器、 s l e ( 串行接口引擎) 、增强的8 0 5 l 微控制器和可编程的外围接i ：3 。它的智能s i e 可以用硬件处理许多u s b l 1 和u s b 2 0 协议，从而减少了开发时间和确保了 u s b 的兼容性。c y 7 c 6 8 0 1 3 内部集成了2 5 6 字节的r a m 用做控制寄存器数据 缓冲区。主从端点f i f o ( 8 位或1 6 位数据总线) 为u s b 芯片与系统中d s p 提供 了简单的数据传输接口。其主要特性【1 5 】如下： ( 1 ) u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 和增强的8 0 5 l 微处理器； ( 2 ) n 件程序装载：8 0 5 1 处理器的程序从内部r a m 开始运行，主要由几种 方式进行装载：u s b 下载；从e e p r o m 中装载；通过外部存储器。 ( 3 ) 四个可编程批量中断同步端点；8 位或1 6 位外部数据接口。 ( 4 ) 4 个集成的f i f o 。以更低的系统开销组合f i f o ；自动转换n 自1 6 位 1 0 总线；支持主或从操作；f i f o 可以使用外部提供的时钟或异步选通；容易与 a s i c 和d s p 芯片接口。 ( 5 ) 3 3 v 电源系统；对控制传输的设置( s e t u p ) 和数据( d a t a ) 部分使用独立的 数据缓冲器；集成的1 2 c 兼容控制器，运行速率1 0 0 或4 0 0k h z 。 图2 3 给出了e z u s bf x 2 ( 包括c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 的功能结构图1 1 5 1 。 蹦i 瓣矧j 蠹麓器 d n 嘉蓄 运 t 一 毫 田 - l- , i - ： 萋隧 裹i 塑 l 毒笼蓦毳姿曲 h s 丑菝 ”“目r x 图2 3e z u s bf x 2 的功能结构图 瓣 口，包 括两个 s r i s 最高 9 6 皿，s 箨謇薹 率 2 4c p l d 器件简介 2 4 1c p l d 器件概述 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是复杂可编程逻辑器件的简 称，是一种用户根据自身需要而设计、构造逻辑功能的数字集成电路。其基本 设计方法是借助e d a 开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相 应的固件程序，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现所需时序逻辑功 能的数字系统。 c p l d 主要是由可编程逻辑宏单元( m c ，m a c r oc e l l ) 围绕中心的可编程互 连矩阵单元组成。其中m c 结构较复杂，并具有复杂的i o 单元互连结构，可 根据用户需要生成特定的逻辑电路结构，完成一定的电路功能。c p l d 内部采 用固定长度的金属线进行各逻辑模块的互连，所以逻辑电路设计完成后，逻辑 运算的时间可预测，时序电路设计的精度有了很大提高。 c p l d 是一种新兴的高密度、大规模可编程逻辑器件，采用c p l d 可编程 器件，可利用计算机辅助设计软件对其进行设计，得到可实现既定系统逻辑功 能的硬件。在设计过程中，可根据需要随时改变器件的内部逻辑功能和引脚的 信号方式，借助于高效的设计软件和大规模集成的c p l d 芯片，用户可以通过 对芯片结构的设计实现大量复杂数字逻辑功能系统；更重要的是由于引脚定义 的灵活性，大大减轻了电路板设计和电路原理图设计的难度及工作量；使用这 酯等 器艘始 种可编程芯片，减少了逻辑芯片的使用量，缩小了系统的体积，提高了系统的 集成度和可靠性。c p l d 器件已成为电子电路产品不可缺少的组成部分，电子 工程师需要能熟练地进行c p l d 应用和设计。 2 4 2c p l d 开发环境m a x + p l u si i m a x + p l u si i 是a l t e r a 公司提供的c p l d f p g a 集成开发环境，a l t e r a 是目 前世界上可编程逻辑器件的最大供应商之一。m a x + p l u si i 界面友好，使用便 捷，是电子电路设计中易用易学的e d a 软件。在m a x + p l u si i 上可以完成输入 输出设计、元器件适配、仿真时序和仿真电路功能、程序编写下载等所有流程， 它提供了一种与结构无关的设计环境，是设计者能方便地进行输入输出设计、 和器件编程。m a x + p l u s i i 开发系统的特点有： 1 、开放的界面，m a x + p l u s1 1 支持与其它e d a 工具接口，方便了系统不同 模块的开发。 2 、与结构无关，m a x + p l u si i 系统的核心编译器( c o m p l i e r ) 支持a l t e r a 公司 的m a x 3 0 0 0 、m a x 5 0 0 0 和m a x 7 0 0 0 等各种可编程逻辑器件，提供了一个真 正与结构无关的可编程逻辑设计环境。 3 、开发集成化，m a x + p l u si i 的输入输出设计、处理与校验功能全部集成在 统一的开发环境下，这样可以方便动态调试、缩短开发周期。 4 、丰富的逻辑设计库，m a x + p l u s i i 提供丰富的库单元供设计者随时调用， 其中包括7 4 系列的全部逻辑功能器件和多种特殊的逻辑功能。 5 、模块化工具，开发者可以在各种输入输出设计、处理和校验选项中进行 选择从而使设计环境用户化。 6 、硬件描述语言( h d l ) ，m a x + p l u si i 软件支持各种h d l 设计输入选项， 包括v e r i l o gh d l 、v h d l 等多种硬件描述语言。 7 、o p e nc o r e 特征，m a x + p l u s i i 软件具有开放核的特点，允许开发者添加 大量方便程序编写的宏函数。 2 4 3 硬件描述语言v e r i l o gh d l v e r i l o gh d l 是目前应用最为广泛的硬件描述语言之一。v e r i l o gh d l 可以 用来进行多种层次的逻辑设计，也可以对数字信号系统进行逻辑综合，验证仿 真和时序分析等。v e r i l o gh d l