基于DSP和FPGA的大尺寸激光數控加工系統

激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運用于廣告業和航模制造業。在大尺寸激光加工系統的開發過程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問題。解決速度問題的一般方法是在電機每次運動前、后設置加、減速區，但這會使加工數據總量成倍增加。除此之外，龐大的數據計算量也需要一個專門的高性能處理器來實現。

FPGA(現場可編程門陣列)在并行信號處理方面具有極大的優勢。本系統采用FPGA作為加工數據的執行器件。這種解決方案突出的特點是讓運動控制的處理部分以獨立的、硬件性方式展開，增加系統的性能和可靠性，從而有效地解決了用單純的MCU或DSP系統處理的帶寬限制，以及用戶系統軟件和運動控制軟件混雜性的問題。

當今國內外市場上已經陸續出現類似的FPGA產品，這些產品大多使用FPGA完成從原始數據處理到執行的全部工作。此種結構雖然可以簡化FPGA外部的電路設計，但是由于FPGA做復雜數學計算的能力有限，不能對復雜圖形尤其是不規則圖形做出全面的分析，導致加工速度無法進一步提升。除此之外，這些產品大多采用寫入一條數據、執行一條數據的工作方式，造成了執行相鄰兩條數據間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復雜圖形時還會明顯地影響加工速度。

本系統使用數字信號處理器DSP完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復雜圖形做出全面的分析又不會喪失系統性能。除此之外，本系統還在FPGA內部采用了雙存儲器交替加工的結構，從根本上消除了相鄰數據間的加工停頓。

1 系統設計

激光加工系統主要是以切割、雕刻等工藝完成對金屬、非金屬的加工。切割是指系統在控制工作頭做矢量運動的同時，配合激光在被加工物體上切割出不同的線條；雕刻是指系統控制激光頭在一定區域內進行往復掃描，以類似打印機的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統采用由計算機獲得圖形并傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結構。

圖1為系統的結構示意圖。在數據傳輸階段，加工數據由計算機通過以太網或并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP（TMS320VC33），DSP將數據按協議解析后存入FLASH（K9F1G08U0A）存儲器。在脫機加工階段，DSP將數據從FLASH存儲器重新讀出并進行處理、計算，并將最終的加工數據輸入FPGA（EP1C6T144C8）內部的加工模塊，控制FPGA輸出加工信號。在系統運轉的整個過程中，DSP還要通過建于FPGA內部的通訊模塊和單片機交換數據，獲取有關人機界面和諸如限位開關、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態。

加工信號預處理電路主要由數模轉換器和光電隔離器組成。它負責將FPGA輸出的加工信號進行處理后驅動步進電機和激光器。