基于DSP和FPGA的大尺寸激光數(shù)控加工系統(tǒng)

3 FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

從DSP的角度看，FPGA加工模塊類(lèi)似于一個(gè)存儲(chǔ)器，DSP只需將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入此存儲(chǔ)器中，以后的工作將全部由FPGA來(lái)完成。在FPGA加工模塊中主要采用了不同類(lèi)別數(shù)據(jù)并行讀取和雙存儲(chǔ)器組交替工作的技術(shù)。

3.1數(shù)據(jù)并行讀取

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器受限于處理器的單任務(wù)特性，通常采用單片大容量存儲(chǔ)單元，這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)需要耗費(fèi)多個(gè)讀取周期才能得到一組完整的數(shù)據(jù)。而FPGA的并行工作特性可以突破這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，將不同類(lèi)別數(shù)據(jù)存放于獨(dú)立的存儲(chǔ)單元中。只要在定義數(shù)據(jù)時(shí)將地址對(duì)齊就可以在一個(gè)讀取周期中獲得全部數(shù)據(jù)。運(yùn)用這種方式可以在讀數(shù)時(shí)間最小化的同時(shí)簡(jiǎn)化編程，也可以使整體程序的結(jié)構(gòu)更加明了。

3.2 雙存儲(chǔ)器交替工作

市場(chǎng)上已有的同類(lèi)FPGA產(chǎn)品大多采用寫(xiě)入1條數(shù)據(jù)、執(zhí)行1條數(shù)據(jù)的工作方式，這將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生停頓。本系統(tǒng)雖然采用了存儲(chǔ)器作為加工數(shù)據(jù)的緩存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問(wèn)題，在DSP寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)依然會(huì)造成加工停頓。

圖4為雙存儲(chǔ)器組結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)系統(tǒng)在執(zhí)行其中一組存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)時(shí)，DSP可將計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入另一組存儲(chǔ)器。由于DSP的運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加工速度，所以雙存儲(chǔ)器架構(gòu)可以保證加工不被間斷。

圖5為FPGA加工程序流程圖。可見(jiàn)，在地址對(duì)齊的前提下更換存儲(chǔ)器組需要改變存儲(chǔ)器組選擇信號(hào)并將地址計(jì)數(shù)器清零。此時(shí)，F(xiàn)PGA還將用中斷的形式通知DSP，使得DSP可以填充新的數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中使用幅面為1.2m×1m的二維工作臺(tái)，X、Y軸步進(jìn)電機(jī)采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅(qū)動(dòng)器。57HS22的步距角為1.8度，額定電流為4A，保持轉(zhuǎn)矩為2.2N.m，定位轉(zhuǎn)矩為700g.cm，電機(jī)接法采用并聯(lián)形式以突出高速性能。電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)減速后由齒形帶帶動(dòng)工作頭做直線運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周使工作頭移動(dòng)24mm。

在實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測(cè)試，其中PLT文件和DXF文件用于切割測(cè)試，BMP文件用于雕刻測(cè)試。

圖形文件由PC機(jī)軟件傳送至本系統(tǒng)，隨后脫機(jī)加工，在切割模式下，長(zhǎng)矢量的加工速度可以平穩(wěn)超過(guò)20000mm/min，在雕刻模式下加工速度可以超過(guò)30000mm/min。在對(duì)一幅含有超過(guò)13萬(wàn)條矢量的復(fù)雜圖形連續(xù)加工5次后，無(wú)肉眼可分辨的位置偏差。

由于本系統(tǒng)采用了DSP進(jìn)行圖形分析，使得系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜圖形的處理能力得到了很大的提高。同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部雙存儲(chǔ)器交替工作的結(jié)構(gòu)也從根本上解決了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中加工停頓的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)擁有加工速度快、圖形處理能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)便可靠等優(yōu)點(diǎn)。