DSP和FPGA在大尺寸激光數控加工系統中的運用

　　2.2 復雜圖形的分析

　　在一幅復雜圖形中往往存在很多不連續、不規則的矢量，如果每條矢量的末尾都減速到零，勢必會影響加工速度。所以，在分析此類圖形時要連帶分析當前矢量的前、后圖形情況，計算出各矢量的夾角以確定加工此矢量的初始速度及終止速度。表1為工作頭進行不同角度轉彎時的極限速度。

　　3 FPGA的內部邏輯設計

　　從DSP的角度看，FPGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結果寫入此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類別數據并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術。

　　3.1數據并行讀取

　　傳統的數據存儲器受限于處理器的單任務特性，通常采用單片大容量存儲單元，這種結構使得系統需要耗費多個讀取周期才能得到一組完整的數據。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統的設計形式，將不同類別數據存放于獨立的存儲單元中。只要在定義數據時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得全部數據。運用這種方式可以在讀數時間最小化的同時簡化編程，也可以使整體程序的結構更加明了。

　　3.2 雙存儲器交替工作

　　市場上已有的同類FPGA產品大多采用寫入1條數據、執行1條數據的工作方式，這將在數據傳輸時產生停頓。本系統雖然采用了存儲器作為加工數據的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數據時依然會造成加工停頓。

　　圖4為雙存儲器組結構示意圖，當系統在執行其中一組存儲器中的數據時，DSP可將計算結果寫入另一組存儲器。由于DSP的運算速度遠遠高于加工速度，所以雙存儲器架構可以保證加工不被間斷。

　　圖5為FPGA加工程序流程圖。可見，在地址對齊的前提下更換存儲器組需要改變存儲器組選擇信號并將地址計數器清零。此時，FPGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數據。

　　4 實驗結論

　　實驗中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺，X、Y軸步進電機采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅動器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉矩為2.2N.m，定位轉矩為700g.cm，電機接法采用并聯形式以突出高速性能。電機轉子的轉動經減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運動，轉子每旋轉一周使工作頭移動24mm。

　　在實驗中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。

　　圖形文件由PC機軟件傳送至本系統，隨后脫機加工，在切割模式下，長矢量的加工速度可以平穩超過20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/min。在對一幅含有超過13萬條矢量的復雜圖形連續加工5次后，無肉眼可分辨的位置偏差。

　　由于本系統采用了DSP進行圖形分析，使得系統對復雜圖形的處理能力得到了很大的提高。同時，FPGA內部雙存儲器交替工作的結構也從根本上解決了數據傳輸過程中加工停頓的問題。實驗表明，本系統擁有加工速度快、圖形處理能力強、使用簡便可靠等優點。