（信号与信息处理专业论文）基于usb接口气动打标机控制系统的研发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 气动打标机是一种广泛应用于汽车、摩托车、机械、航空等领域中的重要辅 助工具，能够对产品的生产、使用等过程进行有效的管理和识别。目前，国外气 动打标技术较为成熟，但价格昂贵，国内气动打标系统抗干扰性不强，精度容易 丢失，操作不便。因此，研制一种经济适用、运行可靠、操作方便的气动打标机 控制系统，既具有一定的理论意义，又具有较大的实用价值。 本文研制了一套基于u s b 接口的气动打标机控制系统。该系统的控制器在硬 件组成上，采用了单片机和f p g a 作为步进电机控制器的控制芯片，c p 2 1 0 2 作为 控制器上的u s b 接口芯片。在w i n d o w s 操作系统软件开发平台下，利用 s u a l c + + 6 0 作为开发工具进行编写。 本文主要内容归纳为以下几个方面： 分析了气动打标机的现状，指出目前市场上气动打标机产品的发展方向， 并提出了解决方案； 对各种方案进行筛选，提出以c p 2 1 0 2 做为u s b 接口芯片，单片机、f p g a 共同控制的总体设计，利用v i s u a l c + + 6 。0 作为软件开发工具； 。 设计单片机、f p g a 功能，编制控制程序，设计硬件电路； 设计出上位机软件，并对其功能进行演示； 在硬件、软件、通信三个方面做了抗干扰设计。 整套打标系统经过较长时间的运行调试，表现稳定，现已经试用性投放市场。 从客户的反馈信息来看，系统工作稳定，打印速度达到设计指标，能够平稳快速 运动，打印精度高，达到市场领先水平，并且得到客户充分的肯定。 关键词t 气动打标机，u s b ，单片机，f p g a ，抗干扰 重庆大学硕七学位论文 英文摘要 a b s t r a c t p n e u m a t i cm a r k e ri sa ni m p o r t a n ta s s i s t a n tt o o lw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fa u t o ， m o t o r , m a c h i n ea n da e r oi n d u s t r y , a n di tc a nm a k ep r o d u c t sb ee f f e c t i v e l ym a n a g e d a n d i d e n t i f i e di nm a n u f a c t u r i n ga n du t i l i z a t i o n a tp r e s e n t , f o r e i g np n e u m a t i cm a r k e r t e c h n o l o g yi sm o r em a t u r e ，b u tv e r ye x p e n s i v e ，w h i l et h ed o m e s t i cp n e u m a t i cm a r k e r s y s t e mi s n o ts t r o n g ，e a s yt ol o s ea c c u r a c ya n do p e r a t i o ni n c o n v e n i e n c e t h e r e f o r e ， d e v e l o p i n gap n e u m a t i cm a r k e rc o n t r o ls y s t e mt h a ti sa f f o r d a b l e ，r e l i a b l ea n de a s yt o o p e r a t eh a ss o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dm o r ep r a c t i c a lv a l u e t h ep a p e rd e v e l o p e sap n e u m a t i cm a r k e rw i t hu s bi n t e r f a c eb a s e do nw i n d o w s p l a t f o r m t h ec o n t r o lp a n e lo ft h ed e v i c ei nh a r d w a r eu s e ss c m a n df p g aa sac o n t r o l c h i po fs t e p p e rm o t o rc o n t r o lp a n e l c p 210 2i st h eu s b i n t e r f a c ec h i po fc o n t r o lp a n e l w i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e mi su s e da ss o r w a r ep l a t f o r m a n dv i s u a l c + + 6 0a st h e d e v e l o p m e n tt o o lc o m p i l e sp r o g r a m t h em a i nc o n t e n t so f o f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： a n a l y s i so ft h es t a t u sq u of o rp n e u m a t i cm a r k e r ，p o i n t i n go u t t h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o ni nm a r k e ta tp r e s e n ta n dp r o p o s i n gs o l u t i o n ； c h o i c eo fv a r i o u sp r o g r a m sa n dp u t t i n gf o r w a r dt h ew h o l ed e s i g nb a s e do n u s bi n t e r f a c e ，s i n g l e c h i pc o n t r o la n df p g ac o n t r o lu s i n gv i s u a l c + + 6 0a s s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l ； s c md e s i g n , f p g af u n c t i o n s ，c o n t r o lp r o c e d u r e sa n dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ； s o r w a r ed e s i g na n dd e m o n s t r a t i o no fi t sf u n c t i o n s ； a n t i - i n t e r f e r e n c ed e s i g no nh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o n t h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e mi sw e l li nd e b u g g i n gc o u r s e t h ep r o d u c t sa r ep u t o i lt h em a r k e t f r o mt h ef e e d b a c ko fc u s t o m e r s ，t h es y s t e mw o r k ss t a b l y ；t h ep r i n t i n g s p e e dm e e t st h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ；a n dc a r lo p e r a t es m o o t h l ya n df a s t 、析血al l i g l l p r e c i s i o n t h ec o r r e s p o n d i n gs p e c i f i c a t i o n sr e a c ht h el e a d e rl e v e lo nm a r k e ta n dt h e p r o d u c t sh a v eb e e nf u l l ya f f i r m e db yc u s t o m e r s k e y w o r d s ：p n e u m a t i cn l a r k e r , u s b ，s c m ，f p g a ，a n t i - j a m m i n g h 学位论文独创性声明 本人声 明所 呈 交的叠l士 学位论文 羹逊坐建堂墓道竭豳煎骛趱蚴燮 是我不人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：姗b 是 导师船未1 蜊 导师签名：弧l 瞍1 1 l 签字日期：矽o c l 6 i 签字日期：砷c i 6 1 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程) ，愿意将本人的亟士学位论文蓬鲤堡壁遮盛出煎麴箜麴匿粼 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：建畦遇。 导师签名 备注。审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月日。 说明：本声明及授权书! 吻装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 气动打标机的研究意义 标记在人们日常生产、生活中起着非常重要的作用。对于普通消费者来讲，标 记已成为其识别和选择商品重要因素。例如对于家电或机械电子产品，人们则把 目光聚焦到产品的规格、型号、品牌、商标等方面。对厂家来讲，无论是在成品 和半成品的生产过程中对零部件进行有效的管理，还是为了及时而准确地识别产 品的零部件，都需要对产品进行标识。 而打标机就是通过物理或者化学的方法在物体表面产生文字或者图形的机器。 打标工艺的基本要求是标记字符清晰、时间持久。打标的作用是能提高产品档次， 树立品牌形象，有一定防伪作用，同时为企业提供产品的可追溯性，从而更好地 贯彻i s 0 9 0 0 0 标准。打标机主要应用于机械、汽车及其零部件、摩托车、电动车及 其零部件，电子、轻工、石化管件领域。可对钢、铁、铜铝、塑料等材质的产品 零部件及各种铭牌进行标记。 在工件表面进行标记常用的方式有手工字模压印、电腐蚀、化学腐蚀、激光雕 刻、气动标记等【1 1 。相比较而言，气动打标方式由于结构简单，成本低，可控性好， 速度快，特别适合于对标记速度较严格要求的流水线作业场合，并能方便地控制 标记内容的深度。 1 2 气动打标机国内外研究情况 气动打标机又称为气动刻印机、气动打码机、电脑标识机等等。其基本的工作 原理是计算机控制驱动步进电机，带动打印针按字符或图形笔画轨迹运动的同时， 打印针在压缩空气作用下高频冲击工件表面，从而形成由密集点阵组成的字符或 图形。 目前在气动打标机的研制上，国外还处于比较领先的地位，从上个世纪8 0 年 代开始，国外的气动打标机技术已经日趋成熟，目前的研究主要集中在打标机软 件和硬件的优化上。在打标行业内技术领先的公司近期取得的主要研究成果有以 下几个方面1 2 1 1 3 1 ： 曲面打标 随着工业产品种类的日趋丰富，需要打标的工件表面形状也开始由单一的平 面变成了曲面。美国t e l e s i s 公司开发研制的t m p l 7 0 0 型打标机系统是一种全 自动打标系统，主要用于钢铁及各种非金属材料的打标。t m p l 7 0 0 不仅能够实现 在平面上打印，而且能够在复杂的曲面上进行打印，图1 1 为t m p l 7 0 0 系统的实 重庆大学硕士学位论文 物图 幽i 】t m p l 7 0 0 宴物嘲 f i g 1 it m p1 7 0 0p h y s i c mm a p 本产品的打标速度可达5 ( h n m s ，打印深度为o 0 7 m m - 4 92 m m ，打臼j 范围3 9 m m 6 3 m m ，点密度为扣7 9 个厘米。 多针头打标 气动打标机目前主要采坩单针头打标，随着控制系统的飞速发展，国外。商 已经研制出了多针头打桥机，丈大提高了打标效率。其中以美冈t e i 。e s i s 公司研 制的t m m 5 4 0 0 型打标机最具代表性，其主要原理是在原有瞽针头的基础上，增加 电磁阀数量，每个电磁阀控制一个针头的动作，实现多针失打杯。同时，山于需 要控制的电磁阀数量增加，也使得控制程序比单针头打标复杂得多，其实物图且u 图l2 所示。 t 陕大学硕士学忧论立绪论 图i2t m m 5 4 0 0 型打标机实物圈 f i 9 12 t m m 5 4 0 0 m a r k i n g m a c h i n e p h y s i c a l m a p 此打标机采用了s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 处理器，此处理器使用的是1 6 3 2 位r i s c 结构的a r m 7 t d m i 内核，工作频率在6 6 m h z 。具有更快的运行速度和更 人的存储窖量，能够更好的满足复杂控制的需求。 2 维条码打标 加拿大e a s t w a r d 公司研制开发的2 维条码气动打标机在标记内容上与一般的 系统有所不同，泼系统主要是在工件表面咀 阵形式打下二维条码。二维条码是 一种高密度、高信息含量的便携式数据文件；是实现大容量、高可靠性信息自动 存储、携带并可用机器自动t 读的理想手段；具有信息容量大、防伪性能好、保 密性好的特点。这娄打标机能够将用户需要标记韵信息转换成杯准的d a t a m a t r i x 二维条码打印在工件上，用户可以使用扫描仪将点阵中存储的信息读出柬。 图13 是放大后的点阵效果图。 图13 放大厉的点阵效果罔 f i 9 13 l a r g e r l a t t i c ee f f e c to f t h ep l a n s 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 在我国，近年来由于受市场需求的影响在气动打标机及相关问题方面也进行 了大量的研究。 重庆大学研制的d c q i 工业气动标记机【4 】，由计算机发出运动控制指令给 运动控制卡，运动控制卡完成运动控制运算，发出脉冲送入步进电机驱动器驱动 打标机打标。脉冲信号容易受到生产现场环境的干扰而带来可能严重的精度丢失， 给打标带来影响与不便。 武汉化工学院自动化系研制的基于p c 计算机并行口的气动标记机系统【5 j ， 根据所要标记的图形或字符的轮廓，经过p c 机中控制程序的运动控制运算，由 p c 机生成控制脉冲信号，经缓冲器和光电隔离后送入步进电机驱动器驱动打标。 这种气动打标机系统常为d o s 系统。 武汉化工学院自动化系还研制了一种分布式数控标记机系统【6 】，由上位机 发出运动控制指令，运动控制运算在下位机的控制器中完成，下位机由控制器和 步进电机驱动器组成。控制器单片机的i o 口输出控制步进电机运行的脉冲，经缓 冲器和光电隔离送入步进电机驱动器驱动打标机打标。 与国外的技术相比，国内气动打标机的发展相对滞后，主要是仿造国外公司 的产品，虽然这些产品在价格上相对较低，但是，国内企业更多的是采用进口设 备，因为进口打标机具有技术成熟，运行性能稳定，机型品种多等优势，而国内 生产的机器在各方面还比较落后。因此急需研制一种适合国内打标市场，性能优 良的气动打标机。 1 3 气动打标机的发展方向 气动打标机是计算机技术、自动控制技术、机械设计技术、气动技术等多项技 术综合交叉的技术密集型产品。由于近年来这些相关的技术都得到了很大的发展， 因此气动打标机技术也日趋完善。当前，国内外气动打标技术的发展主要有以下 三个方向吐 数字化、自动化 2 0 世纪8 0 年代以来，气动打标机的数字化、自动化成为这一领域的研究热点， 近年来，随着传感技术、电子技术、自动控制技术、计算机技术的发展，现代的 打标机已经进入了计算机控制为主的时代。 数字化自动化的具体表现有：打标过程实时监控和打标工件运行过程的监控 ( 如对钢管在生产线上的监控) ：自动扫描、自动定位和跟踪检测技术在打标机系统 中的应用；能够实时地、自动地修改和处理任意复杂的图形和字符。 多功能、集成化 在现代生产环境下，打标机不仅要能够进行单一形式的打标，还要实现功能 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 多样化。比如：打标机既要能够打印标准字库中的字符，还要能够打印用户自行 设计的字符图样，并且还能够在一定程度上对点阵字符的打印轨迹进行优化。传 统的点阵打印是按照逐行或逐列扫描的顺序进行的，这样做电机的无效行程就较 多，效率很低。如果能够将点阵字符轨迹进行优化，那么将获得较高的打印效率。 这是打标机发展的一个重要方向。 结构简单化、操作界面人性化 随着打标机集成化的提高，很多功能将集中在少数几个模块中实现，气动打 标机的结构也就相对变得越来越简单。 简单化不仅仅体现在硬件的结构方面，同时也体现在软件方面，窗口式的操 作程序、触摸屏等技术使打标机的各种操作更清楚、更容易掌握，这也是当前气 动打标机技术发展的一个方向。而且，针对当前中国庞大的市场，各大打标机生 产企业也紧紧抓住操作界面中文化这一课题，致力于开发符合国人操作习惯的操 作界面。 1 4 本课题的主要工作内容 本课题的主要工作内容是针对气动打标机的现状和发展方向进行分析，在控制 器方面，设计使用单片机和f p g a 联合控制代替单独的单片机的控制的整体方案， 软件方面用v c + + 6 0 编程工具设计面向对象的打标机控制软件，通信方面采用 u s b 接口。大体工作如下： 分析气动打标机的现状和发展方向，并提出解决方案； 设计下位机控制器各个模块功能，设计硬件电路； 对气动打标机控制软件进行开发，在设计过程中进行调试； 对气动打标机控制系统进行抗干扰设计。 1 5 本章小结 本章首先阐述了气动打标机研究的意义，然后给出气动打标机的定义和工作原 理，分析了国内外研究情况，根据气动打标机的现状和发展方向，设计本气动打 标机系统，列出大体的工作。 5 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计与系统工作原理 2 方案设计与系统工作原理 在u s b 外设普及后，目前围绕在计算机周围的各式各样的连接线将有所改观， 取而代之的是各种u s b 接口外设。同时，通过集线器或交换机扩展总线功能使普 通用户能够非常方便地添加更多外设，无传统接口的计算机目前已成为现实 7 1 。 为此本文提出了一种基于u s b 接口的气动打标机控制系统方案其体系结构， 整套控制系统包括硬件控制系统和控制软件。本系统可靠性高、操作方便、成本 低、支持热插拔。 2 1 系统方案选择 在选择方案之前，首先了解一下系统的需求。 技术性能： 运行系统：m i c r o s o f tw m d o w s ) a ? 2 0 0 0 胝9 8 ； 打印内容：各种中英文字符、符号、图形，并可自行造字； 打印方向：字符可按直线、垂直方向、斜线、圆弧方向打印； v i n 号码：可打印v i n 号码，符号公安部关于车辆识别代号管理规则 中相应要求； 自动对比：对比流水号，如遇重复号码则自动提示； 运行显示：打印过程中，屏幕会显示当前打印针运行的轨迹，便于查看； 接口特性：支持热插拔。 技术参数： 打印范围：1 4 0 x 8 0 m m ( 也可定制其它范围) ； 打印速度：1 0 m m - - - 6 0 m m 秒( 可调) ； 打印深度：0 1 2 r a m ( 视不同材质，可调) ； 最大可打印硬度： 2 5 0 h z ； 工作电压：a c 2 2 0 v + 1 0 ，整机功耗：3 5 0 w ； 环境温度：0 - - 4 5 ； 打印头升降高度：0 3 5 0 m m 。 根据系统需求，我对设计思路进行了分析并对多种不同的方案进行筛选。主要 是步进电机控制器设计、u s b 接口芯片的选择以及软件开发工具选择。下面就对 6 重庆大学硕士学位论文2 方案设计与系统工作原理 这三方面分别进行阐述。 2 1 1 打标机控制器设计 打标机的控制器的性能的优劣直接影响打印质量，目前控制器核心主要由单片 机实现，通过单片机收发打印指令、指令运算、生成步进脉冲，单片机的工作是 相当繁重的，这样如果需要使打印速度与精度达到较高的水平，则需要一个性能 较高的单片机芯片，并且单片机的程序的复杂度也同样需要提高，这将使系统的 开发成本大大增加。近几年，f p g a 得到了快速的发展，许多领域的电子设计都采 用单片机与f p g a 配合来实现。单片机的程序代码是顺序执行的，或者说是串行 执行，而f p g a 的代码是并行执行的，用f p g a 执行指令运算和生成脉冲，将使 单片机的处理任务变得简单，选择低端产品就可以满足任务要求，这样既提高了 系统的运行速度，又降低了系统的设计成本，所以控制器选用单片机与f p g a 的 组合设计。 2 1 2u s b 接口芯片选型 u s b 是连接计算机与具有u s b 接口的多种外设之间通信的串行总线。现在可 供选择的具有u s b 接口功能的芯片很多，主要分为3 大类【8 l ： 第1 类是需要外接微处理器的u s b 芯片。例如朗讯的u s s 8 2 0 8 2 5 、松下的 u s b n 9 6 0 2 及p l l i l i p s 公司的p d i u s b d l l 1 2 等，其优点是芯片价格便宜，便于用 户使用熟悉的微控制器进行开发，其缺点是会受所选控制器的限制且需要开发底 层驱动。 第2 类是集成了微处理器的芯片。例如c y p r e s s 公司的基于8 0 5 1 的e z u s b 系列，m i c r o c h i p 公司的基于p i c 的1 6 c 7 x 5 系列和m o t o r o l a 公司的基于6 8 h c 0 8 的6 8 h c 0 8 j b 8 系列芯片等，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构，且指 令集的资料丰富，易于开发。其缺点是需要单独开发系统，成本较高，并且需要 编写底层驱动程序。 第3 类是u s b 桥接芯片。例如南京沁恒公司的u s b 桥接芯片c h 3 4 1 ，s i l i c o n 公司的的u s b 转u a r t 桥接芯片c p 2 1 0 2 系列等。c p 2 1 0 2 内置有与计算机通信的 u s b 协议，工作时，c y g n a l 提供的免费的实用c o m 口( v c p ) 器件驱动器允许一个 基于c p 2 1 0 2 的产品作为p c 的一个c o m 口使用，也就是通常所说的产生一个虚 拟c o m 口，用户就可以按照通用串行口的控制方式来使用这个c o m 口例。由于 c p 2 1 0 2 与其他型号的同类芯片相比具有功耗更低、体积更小、集成度更高、价格 更低等优点，因此本文选用该芯片来完成下位机控制器与上位机间的通信。 2 1 3 软件开发工具选择 目前最为常用、使用最多的软件开发工具有：v i s u a lb a s i c 、v i s u a lf o x p r o 、v i s u a l c h 、d e l p h i 、j a v a 等f l o l 。这些软件开发工具，有些强调编程语言的弹性与执行效 7 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计与系统工作原理 率；有些则偏重于可视化程序开发所带来的便利性与效率。各有各的优点和特色， 也满足了不同用户的需求。 v c + + 面向对象特性很好。支持m f c 类库编程，有强大的集成开发环境 d e v e l o p e rs t u d i o ，两个功能强大的编程工具：a p p w i z a r d ( 应用程序向导) 和 c l a s s w m a r d ( 类向导) 。利用a p p w i z a r d 可以在很短的时间内创建出w m d o w s 应用 程序的框架：而c l a s s w i z a r d 可以在应用程序框架之上迅速增加新的类、成员变量 与函数，使编程得以快速实现。v c 抖用来开发各种类型、不同规模和复杂程度的 数据库应用、网络及w e b 应用、分布式应用、可重用组件、系统软件、驱动程序、 多媒体及游戏等所有软件，开发效率很高，软件代码品质优良。执行速度快，对 操作系统的访问权限高，这些是其他许多编程工具所无法比拟的。因此，v c + + 成 为众多程序员编程的首选工具。所以软件我们选择在v c + + 6 0 环境下开发。 2 2 系统方案确定 通过对系统各个部分的分析，最后，我们确定了一个整体的设计方案，即：该 系统由打标机控制器、打标机控制软件构成。 打标机控制器，采用单片机与f p g a 组合的控制方式，主要负责将上位机的指 令转化为步进电机的控制脉冲以驱动电机和电磁阀，并将步进电机的状态信息反 馈给上位机，选择c p 2 1 0 2 接口芯片实现打标机的即插即用功能。 打标机控制软件，主要实现打印机的系统设置，各种标记处理，打印显示，数 据保存、通信，误差补偿、校正，外部数据接口等功能，在v c + + 6 0 环境下开发。 下图是系统设计的总体框图。 图2 1 系统总体框图 f 噜2 1s y s t e ms t r u c t u r e 2 3 系统工作原理分析 用户输入要打印标记，系统根据所要标记的图形或文字的轮廓，经过主机中的 打标控制软件处理，生成操作与画线指令，由主机的u s b 接口传输至由单片机和 8 重庆大学硕士学位论文 2 方案设计与系统工作原理 f p g a 组成的控制器，并经过f p g a 处理，形成步进电机的控制脉冲信号。发送控 制信号到步进电机驱动器和高压气源电磁阀，受指令控制的步进电机驱动器驱动 步进电机带动打印头在平面上按所标记的轮廓运动，驱动电磁阀标记轮廓的过程 中作高频开关动作，从而实现了打印头在压缩空气作用下的高频冲击运动，在工 件上打印出标记。另外，步进电机反过来将其位置及状态信息传给f p g a ，由f p g a 形成状态指令，并通过单片机反馈回打印控制系统，由打标控制系统进行综合， 进而形成新的标记指令。 2 4 系统功能 根据总体方案设计，对待开发的气动打标机归纳出如下功能： 参数管理功能 实现系统参数的设置、保存、调用等。管理的参数有图形显示参数、刻印参数、 打印方式等参数。 加工控制功能 具有自动加工、手动连续或暂停继续加工、手动设置刻印针头的参考点、急 停等功能。系统根据加工控制指令和所设置的参数，进行插补计算，发送控制信 号到步进电机驱动器和高压气源电磁阀，控制打印标记。 u s b 通信功能 通过u s b 接口，实现上位机和单片机和f p g a 的数据通讯。一方面将插补量 和控制信息传递给单片机和f p g a ；另一方面打标机状态信息和加工信息传至上位 机。 打印演示功能 图形化可视界面，显示和打印具有相同效果，在打印的同时演示打印路线 图形管理功能 按照用户要求，对所打印的气动打标机运动轨迹图形进行编辑操作，如字体变 换等。此外可进行放大、缩小、旋转、移动和还原等图形变换操作。 2 5 本章小结 本章首先分析了气动打印机的系统需求，然后对步进电机控制器设计，u s b 接1 3 芯片选型和软件开发工具选择的多种不同的方案进行筛选，确定系统方案， 并对系统的工作原理进行分析，最后总结出系统的主要功能。 9 重庆大学硕士学位论文 3 打标机控制器及硬件设计 3 打标机控制器及硬件设计 3 1 控制器总体设计 控制器是标记打印机系统的硬件核心部分。它的主要功能是处理主机通过u s b 接口发送来的数据，传向步进电机，控制打印针在x 、y 平面内运动，同时，控 制器控制电磁阀，使打印针头作高频微冲击运动；将步进电机的位置和状态信息 形成指令，再通过u s b 接口实时反馈到上位机。 上位机的数据通过u s b 接口发送到控制器后，经过c p 2 1 0 2 ，将其转换为r s 2 3 2 信息流格式发送给单片机，如果该数据是画线指令或操作指令，发送该指令给 f p g a ；如果该数据是复位、停止的中断信号，则直接处理中断，并将处理的结果 反馈给上位机。按钮指令包括复位和急停，由单片机直接处理。 总结得出，c p 2 1 0 2 完成u s b r s 2 3 2 数据转换工作；单片机主要完成与p c 机 通信、中断处理和f p g a 控制的工作；f p g a 主要完成指令处理及步进脉冲、步进 方向和电磁阀控制等工作，其系统结构如图3 1 所示。 按钮 p c 彤i l 图3 1 控制器系统结构图 f 追3 1s t r u c t u r ef i g u r eo f c o n t r o l l e rs y s t e m 步进电机 电磁阀 3 2 接口芯片 通用串行总线u s b ，它具有即插即用、传输速度快、通用性强、易扩展等优 点。u s b 接口代替传统串行口已经成为整个行业的发展趋势。一般u s b 开发需要 了解u s b 协议、固件编程、驱动程序开发等，这对很多开发者来说是既烦琐又不 是必须掌握的。采用c p 2 1 0 2 桥接器，可以无需改变现存系统固件，也无需编写驱 动程序，只要具备一定的计算机应用程序的知识，就可以轻松开发出u s b 接口的 产品。 l o 重庆大学硕士学位论文 3 打标机控制器及硬件设计 c p 2 1 0 2 内部主要由u s b 收发器、电源管理器、4 8 m h z 晶体振荡器等构成。 u s b 收发器可以提供u s b2 0 规范下的全速物理接口。内含两个双数据缓冲区， 一个是5 7 6 字节接收缓冲区，另一个是6 4 0 字节发送缓冲区，它们均用于u s b 数 据与r s 2 3 2 数据的交换缓冲区。u s b 功能控制器包括串行接口引擎、u s b 协议引 擎和收发缓冲控制器等的功能。提供六个控制脚( r t s 发送请求、c t s 线路畅通、 d t r 数据终端准备好、d s r 数据准备好、d c d 数据载波检测、r i 响铃指示器) 【7 j 。 与同类产品相比，c p 2 1 0 2 具有以下优点【l l 】： 具有较小的封装。c p 2 1 0 2 为2 8 脚5 m m x 5 m m m l p 封装。这在p c b 上的 尺寸就比竞争对手小3 0 左右。 高集成度。片内集成5 1 2 字节e e p r o m ( 用于存储厂家i d 等数据) ，片内 集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。 低成本，可实现u s b 转串口的解决方案。c p 2 1 0 2 的u s b 功能无需外部元 件，而大多数竞争者的u s b 器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和 e e p r o m 。具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得c p 2 1 0 2 在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。 具有低功耗、高速度的特性，符合u s b 2 0 规范，适合于所有的u a r t 接 口( 波特率为3 0 0 b p s 9 2 1 6 k b p s ) 。工业级温度范围为一4 0 8 5 。 使用c y g n a l 免费提供的器件驱动程序，可以很容易地将c p 2 1 0 2 实现一个有效 的串口。电路板接到上位机的u s b 端口时，系统会提示发现新硬件，并要求安装 驱动程序。双击从s i l i c o n 公司的官方网站上下载的c p 2 1 0 2 的驱动程序 c p 2 1 0 xv c pv r m 2 kx p 文件，按照提示完成安装。安装完成以后，在系统设备 管理器的“端口里看见了“c p 2 1 0 xu s bt ou a r tb r i d g ec o n t r o l l e r ( c o m 3 ) ，即 c p 2 1 0 2 虚拟的那个c o m 口，即可以对这个串口进行操作。 采用c p 2 1 0 2 的最大优势在于开发者不必设计固件及驱动程序，总线枚举、数 据收发与转换等全部由芯片自动完成。 3 3 单片机设计 由于本系统的主要指令处理及步进脉冲形成由f p g a 实现，所以单片机的处理 能力要求不高，故我们选择美国a t m e l 公司生产的a t 8 9 l v 5 1 单片机1 1 2 1 。 a t 8 9 l v 5 1 单片机是一种低电压、高性能的c m o s8 位单片机，兼容标准m c s 5 1 指令系统，提供许多高性价比的应用场合。每片a t 8 9 l v 5 1 提供一个全双工串行 通信口，能够满足系统的串行通信要求。a t 8 9 l v 5 1 单片机内部有4 k 字节的f l a s h 闪速存储器，它在出厂时已处于擦除状态，用户随时可对其进行编程，编程接口 可接收高电压( + 1 2 v ) 或低电压c c ) 的允许编程信号。低电压编程模式给用户提供 重庆大学硕士学位论文3 打标机控制器及硬件设计 在线编程的条件，方便用户编程和调试；高电压编程模式可以与通用的e p r o m 编 程器兼容。 本系统中，单片机所实现的功能较简单。程序首先进行单片机的初始化工作， 接着程序进入到查询接口的循环中，当有数据到达时，程序对数据进行判断，如 果该数据是画线指令或操作指令，发送该指令给f p g a ；如果该数据是复位、停止 的中断信号，则直接处理中断，并将处理的结果反馈给上位机。本系统单片机的 程序设计流程图如图3 2 所示。 图3 2 单片机程序流程图 f i g3 2f l o wc h a r tf o rs c mp r o g r a m 3 4f p g a 控制器设计 f p g a 的数据处理部分是控制器的关键环节，数据传输和整个控制器单元都集 成在f p g a 内部，它决定了系统的最终输出。 f p g a 是英文f i e l d - - p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专 用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点1 1 3 j f l 4 1 。 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部包括 可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u t b l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要利1 5 】【1 6 】【1 刀1 1 8 】： 随着超大规模集成电路v l s i 工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 打标机控制器及硬件设计 百万个晶体管，f p g a 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数己达到上百万门， 它所能实现的功能也越来越强。 f p g a 芯片在出厂前全部都做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费 用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的 最终功能设计。所以，f p g a 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软 件实现不同的功能。电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、 优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有较多改动时，更能显示出f p g a 的 优势。 电路设计人员使用f p g a 进行电路设计时，不需要具备专门的集成电路i c 深层次的知识，f p g a 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设 计，快速将产品推向市场。 可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 本系统的f p g a 设计采用了a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列产品e p l c 3 和q u a r t u s i i 集成开发环境。c y c l o n e 系列是a l t e r a 中等规模f p g a ，e p l c 3 有2 9 1 0 个逻辑 单元，支持接近5 万门的设计，内嵌r a m 共5 9 9 0 4 b i t s ( 约7 5 k b y t e ) ，可配置为 用户程序r a m ，也可以配置为双口r a m 或f i f o 存储器，完全满足系统的设计 要求【1 1 1 。 f p g a 功能总体设计框图如图3 3 ： 图3 3f p g a 功能框图 f i g3 3 f p g af u n c t i o nb l o c kd i a g r a m 脉 冲 输 出 重庆大学硕士学位论文3 打标机控制器及硬件设计 在设计中，单片机与f p g a 接口采用总线方式。各模块功能简述如下： 从单片机发送的指令分为画线指令和操作指令。两种指令包括系统输出模式设 置、输出逻辑设置、各轴位置设置及、脉冲周期、变化周期、个数等具体运动信 息。 核心控制器主要负责将存储器中的数据读出，然后分发到插补器和升降频控制 器中；处理外部反馈信号，并生成特定的反馈数据格式通过单片机发送到主机。 同时根据插补器的完成状态，给出内部控制信号，协调各个模块的工作。在前一 条指令读出后，如果数据存储器内还有指令，则将该指令读出，在前一条指令执 行完成后，马上开始执行。核心控制器中还包含多个状态寄存器，在各种事件发 生后将其置位，以便主机获取状态。 升降频控制器负责按照核心控制器从数据指令中给定的初始速度和末速度给 出步进脉冲，送插补器作为参考输出脉冲。 插补器的作用是根据核心控制器提供的信号，分别选通各个轴的输出脉冲，最 终实现插补脉冲输出。 位置反馈是将本地的输出脉冲计数，得到打印头当前位置，通过核心控制器可 以将打印头位置读到主机上。 3 5 运动控制方法 运动控制系统中，控制方法对于其实现不同的性能要求起着关键的作用。在 f p g a 中的控制方法主要包含插补运算和升降频控制两部分，下面对其分别进行阐 述。 3 5 1 插补运算 实际加工中有自由曲线、曲面、方程曲线和曲面体构成的复杂零件轮廓，还有 一系列实验或经验数据表示的、没有表达轮廓形状的曲线方程的曲线，理论上， 我们应该保证针头中心轨迹应与零件轮廓形状一致，但实际上，我们只能通过一 系列的直线或圆弧去逼近它。 插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中 间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插 补中间点坐标值的计算精度又影响到系统的控制精度，所以插补算法对整个系统 的性能指标至关重要。 按照运算方式分，常用的插补方法有：逐点比较法、数字积分法、时间分割法、 数字脉冲乘法器法、比较积分法等【1 9 1 1 2 0 l1 2 q 1 2 2 。不管是以哪一种方式实现插补，其 基本原理都是相同的。在现场应用中，选取何种插补运算方法，我们可以用算法 简便程度、插补精度高低、执行时间长短来评价。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 打标机控制器及硬件设计 本设计采用逐点比较法，又称为区域判别法、代数运算法。它适合以步进电机 为执行机构的开环数控系统。 逐点比较法每走一步要进行以下4 个步骤： 偏差判别：判别加工点对规定图形的偏离位置； 坐标进给：根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐标进给一步，以接近 直线； 偏差计算：计算出新加工点相对加工直线的偏差，作为下一步偏差判别的 依据； 终点判别：判断是否到达终点，未到达终点则返回第一步，继续插补；若 已到终点，则停止本程序段的插补。 流程图如图3 4 ： 图3 4 逐点比较法工作循环图 f i 酪4w o r k i n gc y c l em a po f c o m p a r i s o n b yp o i n t 逐点比较法可做直线插补和圆弧插补，两种插补的思想是一样的。下面给出直 线插补的算法实现。 重庆大学硕士学位论文3 打标机控制器及硬件设计 y 圪 o x 。x 图3 5 直线插补示原理 f i g3 5 l i n ei n t e r p o l a t i o np r i n c i p i u m 假定加工