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          淺析DSP的高速激光標記控制系統

          ? 2018年09月15日 09:15 ? 次閱讀

          ? ?  振鏡掃描式激光標記技術就是通過控制兩片高速振鏡的偏轉角, 改變激光的傳播方向, 經過F-Theata透鏡在工件表面的聚焦, 在工件表面作標記。與傳統的標記技術相比, 它具有適用面廣(對不同材料、形狀的加工表面均適合) , 工件無機械變形, 無污染, 標記速度快, 重復性好, 自動化程度高等特點, 在工業、國防、科研等許多領域具有廣泛的用途。高速高精度的振鏡標記已成為當今標記行業的發展方向。

            傳統的振鏡標記控制系統通過PC 機的串口、并口ISA 總線與單片控制板相連,這種方式接口簡單、連接方便, 開發費用低, 但由于傳輸速度低, 已不能滿足現代數控系統的實時性要求。本文在激光標記控制技術方面進行了一些新的探索:利用PCI的高速數據傳輸和DSP高速數據處理能力,提出一種“PC機+PCI總線+DSP控制板卡”的方式,用于振鏡標記控制系統,從而實現對標記控制的精確控制,提高控制效率,保障系統實時性。DSP控制板卡是整個系統的核心,它直接決定著系統的掃描速度和掃描精度,本文將著重介紹該控制板卡的設計。

            1 DSP芯片

            DSP控制板卡的主芯片選用德州儀器公司C6000系列的高速數據處理芯片TMS320C6205。該芯片為高性能的定點處理器,主頻可達200MHz,每個周期能執行8條32-bit的指令,處理速度可達1600MIPS;采用高性能的VLIW結構的TMS320C62xTM DSP核,有8個獨立的功能單元,32個32位的通用寄存器;提供64K字節的內部程序RAM和64K字節的內部數據RAM;提供32位的外部存儲器無縫接口,包括同步器件(如SDRAM、SBSRAM等)、異步器件(如FLASH、SRAM等)和可尋址52M字節的外部存儲空間;提供靈活的PLL、時鐘產生器,可配置倍頻值;提供符合PCI 2.2規范的PCI總線接口,直接實現芯片和PCI總線的橋接功能;提供兩個32位的定時器;提供在線調試的JTAG邊界掃描接口。采用此芯片,能夠實現高速的數據處理,保證系統工作的實時性,且由于帶了PCI橋接功能,提供了和PCI總線的接口,經濟可靠。

            2 硬件設計

            2.1 結構框圖

            如圖1所示為系統的硬件結構框圖。DSP控制板卡通過PCI總線與PC機連接,實現高速通信。DSP處理模塊為主控制模塊,使用主頻為200MHz的 TMS320C6205芯片作為主控制芯片。DSP處理模塊充分利用了C6000系列DSP的快速計算能力和高精度定時器,能夠保證振鏡標記機進行勻速、高速標記,這些由PC機是沒有辦法做到的。DSP的外圍電路包括存儲模塊、復位控制、電源控制、時鐘系統、JTAG端口、數模轉換模塊、CPLD邏輯控制模塊和光電隔離模塊等。其中存儲模塊包括FLASH模塊和SDRAM模塊,FLASH用來存儲系統啟動代碼和軟件代碼,SDRAM用于提供軟件運行時所需的額外存儲空間。DSP控制板卡輸出兩路模擬量控制兩塊振鏡的運動,輸出Q開關控制信號以控制激光器的開關光,輸入/輸出16路光電隔離信號用于功能擴展。

            2.2 PC機與DSP的通信

            PCI 總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結構上看,PCI是在CPU和原來的系統總線之間插入的一級總線,具體由一個橋接電路實現對這一層的管理,并實現上下之間的接口以協調數據的傳送。管理器提供了信號緩沖,使之能支持10種外設,并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術,允許智能設備在需要時取得總線控制權,以加速數據傳送。PCI總線相比起ISA總線,有傳輸速度快,傳輸量大的優點。

            本系統選用TMS320C6205,該芯片自帶了符合PCI2.2規范的PCI總線橋接功能,開發者免去了PCI協議的硬件和軟件實現,給系統設計帶來了便利,縮短了開發周期,也節省了開發費用。開發者只需將PCI插槽上的總線信號和DSP芯片上相關的PCI總線信號直接相連即可。帶“金手指”的DSP控制板卡可以直接插在PC機的PCI卡槽中使用,實現PC機與DSP之間的通信。PCI設備可以訪問所有的內部RAM空間、外設和外部存儲器空間。

          淺析DSP的高速激光標記控制系統

            DSP控制板卡使用的PCI總線寬度為32為(3.3V),總線頻率為33MHz,傳輸速率為33×32/4MB/s = 132MB/s 。此傳輸速率為整個系統能實現高速運行提供了保障。

            2.3 CPLD邏輯控制

            整個高速系統的邏輯控制是通過高速CPLD芯片來實現的。選用ALTERA公司的MAX7128E芯片實現,可用編程邏輯門為2500,宏單元數128,邏輯陣列塊數8,用戶可定義I/O腳100個,pin-to-pin延時為5ns。MAX7000系列器件可以通過編程器進行編程,也可以在線編程。本設計采用了在線編程(ISP)。ISP允許在設計開發過程中迅速方便地重復編程,簡化了制作過程,允許器件在編程之前就先裝配到印制板上。

            系統設計中LED信號燈、FLASH、DA芯片、16路I/O光電隔離接口、模擬開關、Q開關、PWM輸出、軟件復位控制都使用了CE1空間的地址,為了防止這些器件的互相干擾,必須對輸入地址進行譯碼。通過判斷輸入到CPLD的PA[2:6]和PA[16:21]可以知道DSP正在訪問的地址區域,進行CE1空間的地址譯碼,從而產生相應的控制信號,以實現邏輯控制和時序控制。

            CPLD上構建的寄存器的高地址都是一樣的,命名為dsp_reg_addr,由Pa16“21構成,若Pa16”21設置為“111000”即表示地址0x0178xxxx。

            低地址由Pa2“6構成,對10個寄存器尋址,地址對應關系見表1所示。

            表 1地址分配表

            2.4 數模轉換模塊

            數模轉換模塊將DSP處理完的數字信號轉換為模擬信號以控制兩路振鏡的偏轉。由于現在對標記精度的要求越來越高,傳統的8位數模轉換器已無法滿足用戶的需求,因此本系統選用16位高精度數模轉換器AD669芯片,如圖2所示。AD669為16位并行輸入,二級數據緩存結構。設計中將/L1信號直接接地設置為有效,通過控制/CS和LDAC信號分別控制一級緩存和二級緩存。控制振鏡信號的電壓范圍為-10V~+10V,以標記100mm×100mm幅面大小的標牌為例,精度可達100mm/216=0.0015mm,對應最小輸出電壓為0.00031V。

            經實驗發現,在上電時,AD669芯片的輸出為一不可控量,會使振鏡在上電瞬間有一個偏轉,倘若偏轉幅度過大,長期使用會導致振鏡的斷裂。為了保護振鏡,可設計一個模擬開關電路以控制AD669芯片上電時的輸出,使其為0V。筆者將模擬開關放在AD669芯片的參考電壓輸入端,通過CPLD實現對模擬開關的控制,來控制參考電壓的有無,從而保證在上電時振鏡不偏轉。

            3 PCB設計

            該控制板卡選用主頻200MHz的高速DSP處理芯片,高速信號系統中,存在EMC問題,將影響系統的性能。為了設計出一塊穩定,抗干擾性能好的控制板卡,采取了以下措施

            1、板層的合理安排

            該控制板卡為六層板,板層設計為(從頂層到底層依次)信號層-地層-電源層-信號層-地層-信號層。這樣的板層結構安排,使每一個信號層和電源層都緊鄰一個地層,給信號提供一個較短的回流路徑。

            2、時鐘信號線的處理

            PCI時鐘信號的一半要靠反射波來提升,因此,時鐘信號CLK走線長度近似為2500 mil,走蛇形線實現(此點在PCI2.2規范的走線要求中有明確規定)。對于DSP芯片,晶振電路盡量靠近DSP芯片,且時鐘信號盡量短。

            3、SDRAM相關信號線的處理

            SDRAM工作頻率為100MHz,在高頻下,信號的傳輸時間和信號的走線長度有直接的關系,已不能忽略此問題。因此SDRAM的數據線和地址線要等長走線,以保證信號傳輸的質量。另外,串擾和振鈴問題在高頻下也極易出現,對SDRAM和DSP接口的控制信號和數據、地址總線信號,在源端串接匹配電阻以提高信號傳輸質量,保證SDRAM在高頻下能正常工作。

            4、數模電路的隔離處理

            控制板卡上有數字電路和模擬電路,在布局時,必須考慮數模電路的隔離問題,盡量將數字電路和模擬電路分塊布局,避免數字信號走線跨越模擬電路區域,以防止兩塊電路間的相互干擾。另外數字電路和模擬電路通過0歐電阻一點共地。

            5、電容的使用

            在每個數字芯片的電源引腳旁邊放置一個1.01uF的去耦電容。

            4 總結

            本系統將高速PCI總線與C6000高速DSP處理器相結合,配以高精度的數模轉換模塊,實現了一套高速高精度的控制系統,并將其成功的運用到振鏡激光標記系統。該系統充分利用了DSP的高速處理能力和內部的高精度定時器,分擔了PC機的實時性任務,從而實現了PC機與DSP控制板卡的優勢互補,實現了實時性標記,保證了標記質量的均勻性。本文還給出了DSP控制板卡在PCB

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          發表于 2018-08-30 10:11 ? 623次閱讀
          如何利用Lab Windows/CVI實現PC與...

          通過Matlab軟件實現對DSP/FPGA線性調...

          Matlab是美國MathWorks公司自20世紀80年代中期推出的數學軟件,優秀的數值計算與卓越的...

          發表于 2018-08-30 10:09 ? 379次閱讀
          通過Matlab軟件實現對DSP/FPGA線性調...

          Octasic推出Opus2 DSP核心OCT2...

          Octasic Inc.日前針對媒體網關器、HD視訊及無線系統等應用,推出全新的Opus2 DSP核...

          發表于 2018-08-30 09:53 ? 597次閱讀
          Octasic推出Opus2 DSP核心OCT2...

          衛星測控多波束系統DSP模塊的設計方法

          用于測向和波束合成的算法很多,各種算法各有優勢,通過對這些算法的模擬和性能比較,最終選擇MUSIC(...

          發表于 2018-08-30 09:32 ? 972次閱讀
          衛星測控多波束系統DSP模塊的設計方法

          Labview控制FPGA實現SOPC數據采集系...

          0 引言 傳統數據采集卡多采用PCI或ISA總線接口,這種方式安裝麻煩、價格昂貴,且受計算機插槽數量...

          發表于 2018-08-30 09:21 ? 427次閱讀
          Labview控制FPGA實現SOPC數據采集系...

          如何采用DSP+FPGA嵌入式系統實時視頻采集系...

          圖像是自然生物或人造物理的觀測系統對世界的記錄,是以物理為載體,以介質來記錄信息的一種形式。

          發表于 2018-08-30 09:19 ? 759次閱讀
          如何采用DSP+FPGA嵌入式系統實時視頻采集系...

          中國魂芯二號A,中國芯片的驕傲

          “魂芯二號A”采用全自主體系架構,通過單核變多核、擴展運算部件、升級指令系統、擴大存儲容量、加大數據...

          發表于 2018-08-29 09:50 ? 166次閱讀
          中國魂芯二號A,中國芯片的驕傲

          利用Silicon Labs的可編程時鐘簡化FP...

          我們的一位定時產品的客戶看到了將FPGA設計商業化并推向市場的真正機會。Jim Bittman,Bi...

          發表于 2018-08-24 16:37 ? 639次閱讀
          利用Silicon Labs的可編程時鐘簡化FP...

          簡單的PCI總線INTx中斷實現流程

          上面的例子主要是基于早期的單核CPU設計的,并沒有考慮到目前多核CPU的情況。因此,在后續的PCI ...

          發表于 2018-08-24 09:58 ? 385次閱讀
          簡單的PCI總線INTx中斷實現流程

          TI音頻創新日:PCM186x與轉換器的特點應用...

          2015 TI 音頻創新日(11) PCM186x 和轉換器介紹

          發表于 2018-08-21 00:09 ? 254次閱讀
          TI音頻創新日:PCM186x與轉換器的特點應用...

          DSP是什么?淺談一種基于DSP的張力、深度、速...

          在油田測井過程中,地面操作人員需要知道油井的深度、電纜下井速度及電纜所承載的負荷。

          發表于 2018-08-19 09:34 ? 159次閱讀
          DSP是什么?淺談一種基于DSP的張力、深度、速...

          如何利用FPGA技術來解決DSP的設計難題?

          如果采用MAC模式,DSP48則非常適用,因為DSP48 Slice內含輸入寄存器、輸出寄存器和加法...

          發表于 2018-08-18 09:47 ? 601次閱讀
          如何利用FPGA技術來解決DSP的設計難題?

          匯總DC/DC轉換器內部開發的誤區

          復雜的現代電路通常包含大量元器件,例如微控制器、IC、DSP 和 FPGA 等。每個元器件均具有特定...

          發表于 2018-08-16 09:13 ? 1301次閱讀
          匯總DC/DC轉換器內部開發的誤區

          DSP電源解決方案:LM10011 VID控制器

          LM10011 VID控制器-業界最靈活的DSP電源解決方案

          發表于 2018-08-13 01:37 ? 339次閱讀
          DSP電源解決方案:LM10011 VID控制器

          關于PCI總線接口芯片PCI9052的簡析及其應...

          PCI(PeripheralCompornentInterconnect,即外圍部件互連)總線是一...

          發表于 2018-08-11 11:35 ? 192次閱讀
          關于PCI總線接口芯片PCI9052的簡析及其應...

          一種關于利用DSP嵌入式技術的賽車剎車控制系統的...

          本文在硬件電路設計上采用DSP 芯片和外圍電路構成速度捕獲電路,電機驅動控制器采用微控制芯片和外圍...

          發表于 2018-08-11 10:46 ? 124次閱讀
          一種關于利用DSP嵌入式技術的賽車剎車控制系統的...

          基于ASIPM、DSP和FPGA的鼠籠式三相異步...

          隨著電力電子技術、微電子技術及交流伺服控制理論的發展,交流伺服驅動已經具有可與直流伺服驅動相比擬的性...

          發表于 2018-08-05 09:53 ? 127次閱讀
          基于ASIPM、DSP和FPGA的鼠籠式三相異步...

          嵌入式系統技術核心:DSP器件基本技術特征以及應...

          嵌入式系統的目的是提供一個以多任務和網絡為信心,易于開發的復雜數字系統。從數字技術和信息技術的角度看...

          發表于 2018-08-05 09:22 ? 377次閱讀
          嵌入式系統技術核心:DSP器件基本技術特征以及應...

          PCI總線是什么?PCI總線詳解

          隨著現代電子技術、計算機技術的發展,各種總線應運而生。

          發表于 2018-08-02 17:50 ? 308次閱讀
          PCI總線是什么?PCI總線詳解

          基于DSP乘法模塊的高效FPGA器件在無線基站中...

          基于WiMax及其派生標準的新興寬帶無線協議需要越來越高的吞吐量和數據速率。這些協議提出的快速芯片速...

          發表于 2018-07-31 10:43 ? 134次閱讀
          基于DSP乘法模塊的高效FPGA器件在無線基站中...

          CEVA推出世界上最先進的通信DSP,適用于5G...

          CEVA宣布推出世界上最先進的通信DSP,以期滿足數千兆級調制解調器的極高性能要求。通過與世界領先的...

          發表于 2018-07-30 14:50 ? 228次閱讀
          CEVA推出世界上最先進的通信DSP,適用于5G...

          基于DSP和FPGA芯片的紅外信息數據處理系統設...

          現代空戰中,光電對抗裝備在戰爭中扮演著重要的角色,而紅外偵測與跟蹤系統由于采用的無源探測技術,因此與...

          發表于 2018-07-30 14:49 ? 139次閱讀
          基于DSP和FPGA芯片的紅外信息數據處理系統設...

          馬達控制開發陷入僵局,基于DSP的智能控制器面世...

          馬達控制設計人員近來在家用電器產品與伺服驅動器等各種應用中的發展都遇到了障礙,必須在控制器性能或昂貴...

          發表于 2018-07-28 11:04 ? 534次閱讀
          馬達控制開發陷入僵局,基于DSP的智能控制器面世...

          MCU市場更加豐富多元,DSP/FPU不同硬件加...

          微控制器(MCU)深入人們應用生活,幾乎大小設備都看得到MCU蹤影,在MCU導入DSP數位訊號處理器...

          發表于 2018-07-28 11:00 ? 322次閱讀
          MCU市場更加豐富多元,DSP/FPU不同硬件加...

          SHARC開發工具,滿足專業音響、消費和汽車音...

          使用這種新工具,音頻工程師能夠在類似原理圖的布局中組合熟悉的音頻處理模塊,同時由編譯器生成DSP就緒...

          發表于 2018-07-28 10:51 ? 158次閱讀
           SHARC開發工具,滿足專業音響、消費和汽車音...

          一文帶你了解CPLD、FPGA、DSP之間的區別...

          ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業的一家知名企業,設計了大量高性...

          發表于 2018-07-23 15:40 ? 270次閱讀
          一文帶你了解CPLD、FPGA、DSP之間的區別...

          基于INTEL FPGA硬浮點DSP實現卷積運算...

          卷積是一種線性運算,其本質是滑動平均思想,廣泛應用于圖像濾波。而隨著人工智能及深度學習的發展,卷積也...

          發表于 2018-07-23 09:09 ? 1159次閱讀
          基于INTEL FPGA硬浮點DSP實現卷積運算...

          可配置電源中典型DSP控制系統設計

          對于設計有大功率 (100 W) 需求的電子產品來說,選擇電源類型的方法似乎簡單明了。 設計團隊有三...

          發表于 2018-07-23 09:00 ? 1169次閱讀
          可配置電源中典型DSP控制系統設計

          以DSP技術為基礎的RFID讀寫器設計方案淺析

          RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫,即射頻識別。射頻識別(R...

          發表于 2018-07-19 17:45 ? 179次閱讀
          以DSP技術為基礎的RFID讀寫器設計方案淺析

          介紹PCI卡的PCB布線

          PCI卡的布線比較講究,這是PCI信號的特點決定的。

          發表于 2018-07-17 09:15 ? 567次閱讀
          介紹PCI卡的PCB布線

          NI發布最新PXI和PCI接口

          美國國家儀器有限公司(National Instruments,簡稱NI)今天發布最新PXI和PCI...

          發表于 2018-07-09 11:55 ? 127次閱讀
          NI發布最新PXI和PCI接口

          董永紅:未來市場或將是功能級SoC加可編程DSP

          董永紅表示,未來的市場可能是功能級的SOC,加一個可編程的DSP。由上游半導體廠完成80%的工作,下...

          發表于 2018-07-07 08:32 ? 229次閱讀
          董永紅:未來市場或將是功能級SoC加可編程DSP

          單片機的簡介51單片機和STM32單片機的區別及...

          單片微型計算機簡稱單片機,簡單來說就是集CPU(運算、控制)、RAM(數據存儲-內存)、ROM(程序...

          發表于 2018-07-06 15:57 ? 942次閱讀
          單片機的簡介51單片機和STM32單片機的區別及...

          蜂窩IoT市場顯著增長 CEVA快速瞄準NB-I...

          CEVA,全球領先的智能和互聯設備的信號處理平臺和人工智能處理器IP授權許可廠商 (納斯達克股票交易...

          發表于 2018-06-26 16:53 ? 1680次閱讀
          蜂窩IoT市場顯著增長 CEVA快速瞄準NB-I...
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