基于DSP和FPGA的大尺寸激光数控加工系统

激光切割和雕刻以其精度高、视觉效果好等特性，被广泛运用于广告业和航模制造业。在大尺寸激光加工系统的开发过程中，加工速度与加工精度是首先要解决的问题。解决速度问题的一般方法是在电机每次运动前、后设置加、减速区，但这会使加工数据总量成倍增加。除此之外，庞大的数据计算量也需要一个专门的高性能处理器来实现。

FPGA(现场可编程门阵列)在并行信号处理方面具有极大的优势。本系统采用FPGA作为加工数据的执行器件。这种解决方案突出的特点是让运动控制的处理部分以独立的、硬件性方式展开，增加系统的性能和可靠性，从而有效地解决了用单纯的MCU或DSP系统处理的带宽限制，以及用户系统软件和运动控制软件混杂性的问题。

当今国内外市场上已经陆续出现类似的FPGA产品，这些产品大多使用FPGA完成从原始数据处理到执行的全部工作。此种结构虽然可以简化FPGA外部的电路设计，但是由于FPGA做复杂数学计算的能力有限，不能对复杂图形尤其是不规则图形做出全面的分析，导致加工速度无法进一步提升。除此之外，这些产品大多采用写入一条数据、执行一条数据的工作方式，造成了执行相邻两条数据间的加工停顿，破坏了加工的流畅性，在加工复杂图形时还会明显地影响加工速度。

本系统使用数字信号处理器DSP完成复杂的图形分析计算，这样既可以对复杂图形做出全面的分析又不会丧失系统性能。除此之外，本系统还在FPGA内部采用了双存储器交替加工的结构，从根本上消除了相邻数据间的加工停顿。

1 系统设计

激光加工系统主要是以切割、雕刻等工艺完成对金属、非金属的加工。切割是指系统在控制工作头做矢量运动的同时，配合激光在被加工物体上切割出不同的线条；雕刻是指系统控制激光头在一定区域内进行往复扫描，以类似打印机的方式在被加工物体上刻出深浅不一的图案。本系统采用由计算机获得图形并传输至下位机，由下位机保存图形并脱机加工的结构。

图1为系统的结构示意图。在数据传输阶段，加工数据由计算机通过以太网或并口，以图名、图号为标志传入DSP（TMS320VC33），DSP将数据按协议解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存储器。在脱机加工阶段，DSP将数据从FLASH存储器重新读出并进行处理、计算，并将最终的加工数据输入FPGA（EP1C6T144C8）内部的加工模块，控制FPGA输出加工信号。在系统运转的整个过程中，DSP还要通过建于FPGA内部的通讯模块和单片机交换数据，获取有关人机界面和诸如限位开关、激光器散热水泵等保护器件的工作状态。

加工信号预处理电路主要由数模转换器和光电隔离器组成。它负责将FPGA输出的加工信号进行处理后驱动步进电机和激光器。