1、 引言

由于激光具有優異的單色性、相干性、方向性，同時具有很高的能量密度，因此廣泛應用于材料加工。隨著物品打標過程中對防偽、精度、環保等方面的需求日益提高，激光標刻設備，特別是激光飛動標刻設備的應用日益廣泛^[1]。

    本文主要對標刻設備中控制系統軟硬件設計進行了介紹。著重分析了基于PCI的控制卡的電路設計、WDM驅動的設計及相關測試環境的設計中的關鍵問題，同時對標刻軟件的主要功能進行了介紹，最后對板卡的部分功能進行了測試分析。該控制系統具有4路12位DA輸出、3路16位計數器、4路DI/DO、1路IP軟核控制的PWM激光功率控制輸出功能。系統在應用中性能穩定，功能完備，使用簡便，已廣泛應用于工業生產。

2、 系統控制卡設計

    激光標刻系統控制卡是整個控制系統的中樞，連接著控制軟件與執行機構。本設計方案中控制卡電路包括PCI總線接口控制電路、本地邏輯控制、功能模塊三部分。控制卡總體結構如圖1。

    其中本地邏輯控制中組合邏輯模塊用于本地控制信號的邏輯控制；數據交換模塊為數據緩存器，對部分控制信號進行存儲、變換；特征信息存儲模塊用于保存系統某些特征配置信息，與軟件配合實現對控制系統的特征識別及安全控制。在本系統中將本地邏輯控制及部分IP軟核實現的功能均集成于ALTERA的CPLD控制器EPM7064中，可在線編程擴展系統功能。

2.1 PCI接口設計

    系統采用PLX公司PCI總線控制芯片PCI9052作為接口芯片^[2]，其E²PROOM配置芯片為HT93LC46。接口芯片的使用簡化了總線邏輯的處理，使工作集中在本地邏輯設計中，同時提高系統得穩定性及容錯能力。

    采用CPLD器件將本地邏輯的處理及控制數據的存儲等功能集于一身，減少了分離器件的使用，簡化了PCB布線，同時使系統模塊化程度大大提高，利于系統的擴展。利用CPLD的在線編程的優點，將系統得特征信息存儲其中，與軟件配合就可實現系統的硬件加密。同時CPLD器件自身也具有加密功能，可有效提高系統的安全性。

2.2 IP軟核設計

    CPLD的應用使系統的設計配置靈活，可根據整體需要設計IP軟核，在實現同等功能條件下節約板載資源。系統根據需要設計PWM控制器，用于實現激光功率調制。8位的控制精度實現占空比0~1的256級調節。該部分采用ALTERA公司的硬件編程語言AHDL設計^[3]，根據激光功率的需要實現基頻為4K脈寬調制波輸出。

    其中Load為控制數據載入控制端，在該信號有效時將8位控制數據IN[7..0]載入內部控制寄存器。EN信號為輸出有效信號，用于控制PWM輸出，當該信號有效時，PWM輸出。LCLKIN信號為IP軟核的工作頻率，PWM輸出的基頻是由該信號分頻而得出的。軟核內部控制語句如下，其中PWMDATA為PWM波輸出的控制邏輯，當其輸出為高電平時，輸出進行翻轉。

IF(Load) THEN                           %當載入新控制數據時，PWM重新輸出%

       PDataB[].d=0;

       PWMRe.d=GND;

       PWMDATA=VCC;                         %輸出跳變%

    ELSE

    IF (EN) THEN                             %當PWM輸出有效%

    IF (PDataB[7..0].q==PDataH[7..0] OR PDataB[7..0].q==255) THEN  

            PWMDATA=VCC;                    %當PWM輸出跳變%

        ELSE  PWMDATA=GND;

        END IF;

        PDataB[].d=PDataB[].q+1;

        PWMRe.d=!PWMRe.q;  

    ELSE                                    %當PWM輸出無效%

        PDataB[].d=0;

        PWMRe.d=GND;   

        PWMDATA=VCC;                         %輸出跳變為低%  

    END IF;

    END IF;

    最后，對PWM的輸出線性度進行了測試如圖4 ，圖中橫軸為控制數據，范圍為0~255，縱軸為占空比為百分比值。由測試數據可以看出，采用此調節方法系統線性度好，控制有效，能實現精確的控制。相比采用PWM控制器件TL494實現脈寬控制方式，線路設計簡單，節省一路DA控制信號及多個調節電阻電容類元件。

2.2 WDM驅動程序設

    WDM驅動程序模型支持即插即用（PnP），電源管理、Windows管理接口等功能。在Windows2000以后的操作系統中，引入這一技術，將其作為應用程序與硬件系統的聯系紐帶，取消應用程序對硬件的直接操作，極大提高了系統的穩定性，安全性。因此在系統硬件設計時，對WDM驅動程序進行了開發。WDM驅動程序設計的文章較多^[4]，本文從軟硬件結合的角度對其中的關鍵點進行探討。

    操作系統通過對PCI插槽的掃描獲取控制卡的相關信息，并進行相應的配置。WDM驅動程序通過Device ID及Vendor ID與卡進行通訊，PLX公司的默認配置參數為5201、10B5，在板卡調試階段可用此配置，就可安裝其提供的測試驅動及板卡調試程序PLXMON對板卡的設計進行初步測試。

    WDM程序通過ID發現板卡后就可以獲取系統分配給板卡相關資源信息，主要是地址空間包括內存地址空間和I/O空間兩種，本設計中根據需要映射了1k內存空間及32個IO空間。通過對相關資源的操作即可實現對板卡的控制。DWM驅動程序還需為應用程序提供相關的控制接口，應用程序就可通過WINDOWS標準的CreateFile函數打開設備，調用READ，WRITE語句及相應參數對硬件進行控制。

3、 系統軟件設計

    針對板卡的調試及實際激光標刻系統的應用，分別開發了板卡功能測試軟件及基于點陣和矢量的標刻軟件系統。

    板卡功能測試軟件能完成對板卡所有功能的測試。可選擇PCI類型設備，對PCI卡進行操作。

    提供通道選擇功能用于DA控制輸出的測試，系統選用模擬其間公司12位DA控制器件AD7847作為關鍵器件，實現-5~+5伏及0~10伏模擬電壓輸出，DA線性度測試結果如圖6。

    其中橫軸為控制數據，12位DA轉換控制數據為0至4095，模擬輸出范圍為-5伏至+5伏。通過測試軟件的設計，提高了系統設計的效率同時可分開對各模塊的實際效能進行測試，及時發現各個模塊設計的不足，使系統在實際標刻過程中更穩定。

    激光標刻軟件系統可方便地編輯單線體文字、TTF文字、日期、時間、序列號。可自動進行圖形對齊、圓形排版功能，可以用鼠標繪制圖形，可方便地導入PLT圖形文件，以及從BMP圖象提取圖形輪廓。，它在不影響生產線正常運作的情況下實現流水生產線上產品的激光在線標刻，從而大大提高生產效率。標刻速度范圍達到0-60米/分或1-20標/秒（依標刻內容而定）。

    系統可方便修改標刻內容，設置標刻功率大小、速度快慢等控制參數。標刻線條流暢，深淺自如.用戶還可設計特殊的防偽碼，因為采用了數據加密技術，不同的用戶即使都擁有標刻系統，也不能標刻完全一樣的內容，使得系統具備良好的防偽標刻功能。系統標刻的實際標刻效果如圖7 。

4、 總結與展望

    基于計算機PCI總線規范的激光標刻控制系統，提高了標刻速度，增強了系統對不同生產線的適應能力；設計開發了我indows2000及xp下的WDM驅動程序，提高了系統的穩定性，減少了誤操作造成的系統死機、藍屏等現象；采用CPLD軟核設計方式，提高系統的的靈活性；各種配套軟件的開發，極大的縮短系統制造周期。

 

參考文獻：

[1] 蔣毅，周宏，蔣明，陳曉. 基于PC的激光標刻系統控制卡設計[J]. 計算機測量與控制, 2004（6）：544-546.　

[2] PLX Technology. PCI9052 Data Book[M]. 2001, 9.

[3] 李國麗. 用PLD芯片和AHDL語言進行交通燈控制器設計[J]. 合肥工業大學學報(自然科學版).2002(04):545-548.

[4] 袁魏華，季鵬，喬衛民.基于WDM模型的PCI卡驅動程序設計[J]. 計算機工程與設計[J].2005(02):537-539.