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06-18
摘要：介绍一种基于PCI总线的激光打标控制系统的设计。
系统采用PLX公司的PCI总线控制芯片PCI作为接口芯片；采用Altera公司的CPLD控制器EPM和AHDL编程语言设计IP软核，实现局部总线的译码和功能电路的逻辑控制；基于IP核的PWM控制电路控制时钟取自33 MHz PCI总线时钟，通过分频得到8位控制精度的PWM占空比调整，实现高精度的定频和变频PWM信号输出。
测试软件和激光打标应用软件与硬件设计结合开发，加快了硬件的设计进程和推广。
关键词：激光打标； PCI总线；可编程逻辑器件； IP核； PWM电路 0简介 由于激光具有优良的单色性、相干性、方向性以及较高的能量密度，因此在材料加工中得到广泛应用。
随着物体打标过程中对防伪、准确性、环保等方面的要求不断提高，激光打标设备特别是激光飞行打标设备的应用越来越广泛。
这里主要介绍激光打标控制系统的软硬件设计，重点分析基于PCI的控制卡电路设计中的关键问题，同时介绍打标软件的主要功能。
控制系统具有4路16位D/A输出、3路16位计数器、4路DI/DO、1路PWM激光功率控制输出功能。
该系统在应用中性能稳定、功能齐全，已应用于工业生产。
1 激光打标控制卡设计 激光打标系统控制卡是整个控制系统的枢纽，连接控制软件和执行器。
控制卡的结构如图1所示，由PCI总线接口控制电路、本地逻辑控制电路和功能电路三部分组成。
PCI接口电路用于将PCI总线逻辑转换为本地逻辑。
系统采用PLX公司的PCI总线控制芯片PCl作为接口芯片，E2PROOM配置芯片HT93LC46。
由于接口芯片功能丰富，简化了接口设计，使工作可以集中于本地逻辑设计，并利用WDM驱动程序实现计算机对设备的统一管理。
局部逻辑控制电路利用IP核实现局部总线的译码和功能电路的逻辑控制。
通过Altera的CPLD控制器EPM进行设计和实现，可在线编程，扩展接口控制功能。
功能电路包括D/A电路、I/O电路、PWM电路、计数器电路等组成；系统采用Analog Devices公司的D/A控制器件AD或AD作为关键器件，实现5~V和0~10V模拟电压输出。
1.1 基于IP核的定频PWM电路设计 在CO2激光打标设备中，控制卡通过PWM电路输出脉宽和频率可调的控制信号，控制激光电源的放电时间。
实现激光输出功率的精确控制。
设计中使用CPLD使得设计配置非常灵活。
可根据整体需求设计相应功能的IP软核，节省板载资源。
该方案采用Al-tera的硬件编程语言AHDL进行设计；结合器件EPMSLC44-10，实现了PWM控制器。
基于IP核的PWM控制电路，控制时钟取自33 MHz PCI总线时钟，可以有效利用接口资源。
IP软核的4kHz输出频率是33MHz时钟除以8得到的。
8位控制精度可以实现占空比从0到1的步进调节。
软核原型符号核心如图2所示。
其中，Load作为控制数据加载到控制端。
当信号有效时，8位控制数据IN[7。
． O]加载内部控制寄存器。
EN信号为输出有效信号，用于控制PWM输出。
当信号有效时，输出PWM。
LCLKIN信号提供IP软核的工作频率，PWM输出信号的基频除以该信号。
软核内部控制语句如下，其中PWMDATA为PWM波输出的控制逻辑。
当其输出为高电平时，输出翻转。
结束如果； 结束如果； 软核的仿真波形和示波器输出波形如图3所示。
1.2 基于IP核的可调频PWM电路设计 可调频PWM产生电路原型符号脉冲宽度如图4所示。
其中，EN信号使能器件； WR写信号配合PFD0、PFDl和PCD0、PCDl实现频率和脉宽控制字的写入。
控制位宽为12位，实现4级调节。
LclkIn 为全局时钟信号，来自 33 MHz PCI 接口时钟除以 8。
因此，IP 核可实现 1 kHz 至 4 MHz 的频率调整以及 0% 范围内最大 4 级占空比调整。
8位数据宽度DATAIn接口用于控制数据的输入。
实现IP核功能的程序如下： 功能仿真波形如图5所示。
使用IP核实现频率可调的PWM产生电路，逻辑上消耗大量内部资源设备。
相比之下，定频IP占用的逻辑资源较少，因此更适合固定激光器的频率。
为各种应用提供高精度脉宽调制。
2 控制软件介绍 为了单板的调试和实际激光打标系统的应用，分别开发了TestStar硬件板测试软件和LaserStar激光打标软件系统。
单板功能测试软件可以完成单板所有功能的测试。
不仅提供D/A控制输出测试的通道选择功能；还提供DI输入信号检测、DO输出信号检测；以及COUNTER计算器测试等功能。
通过测试软件的设计，提高了系统设计的效率。
同时可以单独测试各个模块的实际性能，及时发现各个模块设计中的缺陷，使系统在实际打标过程中更加稳定。
激光打标软件系统可以轻松编辑单行文本、TTF文本、日期、时间、序列号；可自动进行图形对齐和圆形排版功能；可以用鼠标绘制图形；它可以轻松导入PLT图形文件，并从BMP图像中提取图形轮廓。
可以实现生产线上产品的激光在线打标，而不影响生产线的正常运行，从而大大提高生产效率。
打标速度范围达到0~60m/min或1~20marks/s。
系统可以方便地修改打标内容以及设置打标功率、速度等控制参数。
标记线条流畅，深浅随意。
用户还可以设计特殊的防伪编码。
由于采用了数据加密技术，不同的用户即使都有标记系统也无法标记完全相同的内容，使得系统具有良好的防伪标记功能。
系统打标实际打标效果如图6所示。
3总结与展望 激光打标控制系统基于计算机PCI总线设计，提高了控制命令发送速度和控制精度。
在Win-dows/xP下设计开发WDM驱动程序；提高了系统的稳定性；减少因硬件兼容性和误操作引起的系统崩溃、蓝屏等现象。
采用CPLD器件，集成本地逻辑处理和控制数据存储功能；采用Altera的硬件编程语言AHDL来设计IP软核；与EPMSLC44-10器件结合，实现定频和变频PWM信号的精确输出。
减少了单独元件的使用，大大提高了系统的模块化程度，简化了PCB布局和布线，方便系统升级和扩展。
利用CPLD优异的加密性能，将系统特征信息和加密逻辑存储在其中，配合控制软件实现系统的硬件加密，保证系统的唯一性，有效提高防伪能力的标记内容。
该控制系统已广泛应用于工业领域。
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