随着激光技术的发展, 激光精密加工、三维激光快速成型、激光高速飞行打标、三维激光雕刻等技术蓬勃兴起, 对激光输出功率的稳定控制和高速图形处理提出了更高的要求。利用PCI总线的高速特性, 可以实现对激光输出功率的高速采样和闭环控制, 保证激光输出功率稳定。设计PCI图像处理卡还可解决图像传输和处理速率的瓶颈问题。
《1 数控激光加工系统中PCI总线的应用》
1 数控激光加工系统中PCI总线的应用
《1.1 对激光输出功率的闭环控制》
1.1 对激光输出功率的闭环控制
目前广泛应用的灯泵固体YAG激光器采用的电源主要是高效率的开关电源。在工作过程中, 由于电网波动等, 会影响输出功率的稳定。这种输出功率的波动显然会影响加工效果, 特别是激光精密加工, 影响更为显著。利用PCI总线高速的特性可以对激光输出进行实时采样和闭环控制, 保持激光输出功率的稳定, 其逻辑框图见图1。
《1.2 高速图形处理》
1.2 高速图形处理
随着激光三维快速成型、激光高速飞行打标、三维激光雕刻等技术的兴起, 激光加工系统面对越来越繁重的高速图形处理任务, 传统的ISA, EISA等总线技术显得力不从心, 在PCI总线扩展卡中内嵌DSP等高速数据处理芯片完全可以满足要求, 避免了开发专用系统带来的高成本。同时可独立于处理器体系结构, 直接应用于主流PC机, 其逻辑框图见图2。
《图1》
图1激光输出功率的闭环控制Fig.1 Close loop control of laser output power
《图2》
图2高速图形处理控制Fig.2 Control of high-speed graphic processing
《2 应用PCI总线的难点和解决办法》
2 应用PCI总线的难点和解决办法
《2.1 线性突发传送》
2.1 线性突发传送
PCI总线的传输机制是线性突发传送, 突发传送指主桥 (位于CPU和PCI总线之间) 可以将多个存储器访问合并为一次。主设备仅对总线拥有者做出一次仲裁。起始地址和交易类型在地址段发布, 总线的所有设备锁定地址和交易类型, 并译码以确定目标设备。在这种方式下, 目标设备将起始地址锁存并递增该地址。在设计过程中嵌入DSP等可编程器件, 可以方便实现上述要求, 并且在工作过程中占用主CPU的时间大为减少, 提高了系统效率。
《2.2 反射波转换》
2.2 反射波转换
与许多总线不同, PCI总线在物理端点没有终端电阻吸收电压变化, 以防止因电压变化引起的波前端反射回总线
《图3》
图3高电平信号反射与加倍Fig.3 Reflection and doubling of up-level signal
当波前端到达总线末端时, 就反射回来且幅度加倍。在波前端沿信号线的回程中再次通过每个设备输入, 每个设备的输入就寄存一个有效的逻辑电平。信号直到PCI总线时钟的下一个上升沿才被采样。最后, 波前端被驱动器内的低阻抗所吸收。这一方法使驱动器尺寸和浪涌电流减半。共有三个定时参数与PCI信号时序有关, 在设计过程中必须考虑:a. tval输出驱动器将信号向其最后逻辑状态驱动一步所需时间;b. tprop波前端传递到信号线另一端, 反射并传递回来所需的时间;c. tsu在时钟下一个上升沿之前, 信号在所有输入上都稳定在最后状态所需的最短时间。
设备只能在PCI时钟信号的上升沿采样输入。PCI总线信号线的物理布局对保证信号在指定的时限内传递是非常重要的。当驱动器使一个信号有效或无效时, 波前端必须传递到总线的物理端点, 在时钟下一个上升沿信号被采样前, 往回反射, 并通过全程回归总线。
《2.3 电气特性与避免干扰》
2.3 电气特性与避免干扰
PCI总线元件的电器参数和时间参数无论是在5 V还是3.3 V信号环境, 都有相应的指标
目前激光电源主要采用开关电源, 开关电源转换效率高, 体积小。但由于开关电源在工作过程中会产生严重的高频干扰, 这对激光加工系统的控制部分有严重的影响, 对于PCI总线扩展卡需要采取一些措施来避免干扰。
所有的电源平面都必须对地去耦合, 以便合理地处理开关电流的冲击。PCI连接器上的3.3 V引脚 (即使在实际中未提供电流) 应提供一个交流回路, 而且在母板上必须相连, 这时的对地去耦应符合高频信号技术的要求。
在许多系统中, PCI总线的正常操作依赖于嵌套在设备中的二极管, 以限制信号反射并满足规定的传递迟延。如果一个系统有很长的信号线却未连接PCI器件, 就需要在总线的那个端点添加二极管负载以保证信号质量。
《3 应用AMCC S5933的解决方案》
3 应用AMCC S5933的解决方案
《3.1 试验装置》
3.1 试验装置
Applied Micro Circuits Corporation开发的S5933提供了一种单片式的解决方案。笔者利用S5933开发的高速打标机控制卡, 实验装置原理如图4。S5933提供了3组物理总线接口:PCI局域总线, 附加总线和串行非易失存储器总线。PCI总线和用户应用可通过S5933的3种通道交换数据:mailbox 寄存器组、FIFO通道、用户自定义的1～4个Pass-Thru 数据通道。这种多通道数据缓冲寄存器更为实际开发提供了灵活的解决方案。
《图4》
图4应用S5933的PCI图像处理卡Fig.4 PCI graphic card which applied S5933
《3.2 试验数据和结果分析》
3.2 试验数据和结果分析
笔者利用PCI控制卡控制的高速激光打标机与国内某厂家的同类产品进行了对比加工试验。所选用的加工图形为最常见的矢量图形、矢量文字、扫描图形和扫描文字4种, 打标面积均为50 mm×50 mm, 分别见图5～图8。
《图5》
图5矢量图形Fig.5 Vector graphic
《图6》
图6矢量文字Fig.6 Vector word
《图7》
图7扫描图形Fig.7 Scan graphic
《图8》
图8扫描文字Fig.8 Scan word
试验激光器主要技术参数:
光源 灯泵Nd:YAG激光
激光波长 1.06 μm
平均功率 50 W
调制方式 声光调Q
调制频率 1～10 kHz
加工方式 振镜式
实验结果对比如下:
由于内嵌了大容量RAM和高速的DSP芯片, 一次可将上千条语句和数据写入控制卡的RAM, 然后利用DSP高速执行, 大幅度减少了主机CPU的干预时间, 提高了效率。
《4 结语》
4 结语
在三维激光成型、高速激光打标、激光切割等需要高速图形处理的激光加工系统中, PCI总线有着广阔的应用前景。PCI总线使用了许多不同于传统总线的技术手段, 在设计开发中需特别注意。
S5933提供了一种性能可靠、应用范围广泛、价格相对低廉的解决方案。笔者利用S5933开发出的高速打标机, PCI控制卡效率提高25%～30%, 这项技术已在飞行打标机中应用。
京公网安备 11010502051620号
