基于ARM Cortex M7內(nèi)核的高速振鏡控制系統(tǒng)

陳 軍，羅維平

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基于ARM Cortex M7內(nèi)核的高速振鏡控制系統(tǒng)

陳 軍，羅維平*

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

激光加工技術(shù)日益成熟，其技術(shù)的核心難點(diǎn)在于其振鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前業(yè)界在激光振鏡控制部分還存在一些問(wèn)題。本文針對(duì)目前存在的功耗大、精度低、電路復(fù)雜等問(wèn)題，研究一種基于ARM Cortex M7內(nèi)核和XY2-100協(xié)議的高速振鏡控制系統(tǒng)，有效降低控制信號(hào)傳輸過(guò)程中的衰減，并對(duì)激光固有的幾何畸變提出一種有效的優(yōu)化補(bǔ)償方案，通過(guò)制作DEMO板和試驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，在速度、精度方面比業(yè)界現(xiàn)有控制系統(tǒng)更勝一籌，滿足實(shí)際加工要求，可實(shí)現(xiàn)每秒2萬(wàn)多次振鏡偏轉(zhuǎn)，位置控制準(zhǔn)確，本系統(tǒng)具有較大應(yīng)用前景。

激光加工；振鏡控制；畸變補(bǔ)償；STM32；高速；低功耗

高速激光振鏡是應(yīng)用在激光加工行業(yè)的一種數(shù)字掃描振鏡，其專業(yè)名詞叫做高速掃描振鏡。它是激光掃描技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的一種掃描方式，主要是指振鏡電機(jī)帶動(dòng)反射鏡偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)激光光束在掃描平面上移動(dòng)，進(jìn)行掃描，振鏡電機(jī)采用X、Y兩個(gè)電機(jī)控制，一個(gè)時(shí)刻確定一個(gè)點(diǎn)的位置，通過(guò)掃描頻率控制不同時(shí)刻點(diǎn)的位置從而達(dá)到整個(gè)掃描圖案的變換，掃描頻率越低圖案越明顯，而振鏡的控制是掃描成像的關(guān)鍵。傳統(tǒng)振鏡控制系統(tǒng)主要由PC機(jī)控制，其控制數(shù)據(jù)由軟件產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)PC機(jī)中斷送出，但由于PC機(jī)的非實(shí)時(shí)系統(tǒng)因素，可能造成掃描不均勻、偏轉(zhuǎn)角精度低、功耗高等缺點(diǎn)，由此也會(huì)帶來(lái)激光控制系統(tǒng)的幾何畸變[1]，無(wú)法滿足現(xiàn)代激光控制系統(tǒng)要求的高精度、小型化、低功耗等要求。

本文針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款高精度、低功耗、小型化的激光振鏡控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于XY2-100協(xié)議的通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，選用基于ARM Cortex M7內(nèi)核的STM32 F767芯片為主控芯片，配合豐富的外設(shè)設(shè)計(jì)了一款集成化程度高，將控制電路與轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路等精簡(jiǎn)化，對(duì)幾何畸變進(jìn)行了優(yōu)化補(bǔ)償處理的振鏡控制系統(tǒng)，有效減小了控制系統(tǒng)的尺寸、體積、功耗，彌補(bǔ)了目前振鏡控制系統(tǒng)的不足。

1 振鏡控制系統(tǒng)原理

振鏡控制原理主要是控制激光束入射到兩反射鏡上后，操控反射鏡上的振鏡電機(jī)反射激光束，使得這兩個(gè)反射鏡可分別沿X、Y軸偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到激光束的偏轉(zhuǎn)，再通過(guò)F-θ透鏡聚焦使具有額定功率密度的激光聚焦在加工工件上按所需的要求運(yùn)動(dòng)，從而使激光在工件上掃描，最終形成預(yù)期的圖案，其原理如圖1所示。

圖1 振鏡控制系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成振鏡控制系統(tǒng)主體，系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

控制電路的主控芯片通過(guò)UART串口從上位機(jī)中接受指令及加工數(shù)據(jù)，在主控芯片中經(jīng)內(nèi)部程序處理數(shù)據(jù)后發(fā)送信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路再由驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生振鏡電機(jī)所需要的模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成驅(qū)動(dòng)振鏡擺角。在振鏡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，本設(shè)計(jì)選用高性能的基于ARM Cortex M7 32位RISC內(nèi)核的STM32 F767芯片為主控芯片，其性能優(yōu)越帶有自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器、4KB數(shù)據(jù)高速緩存和4KB指令高速緩存，并擁有多達(dá)18個(gè)定時(shí)器、25個(gè)通信接口以及168個(gè)I/O端口，最主要的是F767的工作頻率高達(dá)216MHz，這能大大提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和整體性能，也可以進(jìn)行一主多從式控制系統(tǒng)的開發(fā)。在振鏡控制系統(tǒng)中XY2-100是數(shù)字化激光掃描振鏡的接口定義及通信協(xié)議，它使用四路差分信號(hào)：SENDCK（時(shí)鐘信號(hào)）、SYNC（同步信號(hào)）、CHANNELX（X通道數(shù)據(jù)）、 CHANNELY（Y通道數(shù)據(jù)）[2]。在工業(yè)控制中，如果控制電路直接輸出模擬電壓到驅(qū)動(dòng)電路控制激光振鏡，那么信號(hào)極易受外界電磁干擾或信號(hào)噪聲水平高，而差分?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸控制命令可以很好地解決這些干擾問(wèn)題，以差分?jǐn)?shù)字信號(hào)傳輸，然后在接收端的振鏡驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得控制信號(hào)。本設(shè)計(jì)用STM32F767的GPIO端口輸出數(shù)字信號(hào)，再選用AM26C31芯片，將產(chǎn)生的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，傳送到驅(qū)動(dòng)電路。

控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路主要由通訊模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路組成，驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖

驅(qū)動(dòng)電路接收從控制電路過(guò)來(lái)的差分信號(hào)，對(duì)輸入的差分信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算還原為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)功率放大處理后輸出模擬電壓驅(qū)動(dòng)振鏡電機(jī)擺動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件

TM32F767支持C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言，由于C語(yǔ)言可讀性強(qiáng)、可移植性好，加之其自帶豐富的官方HAL庫(kù)主要由C語(yǔ)言編寫，所以本控制系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程。STM32開發(fā)環(huán)境采用德國(guó)KEIL開發(fā)的MDK集成開發(fā)環(huán)境，它是目前針對(duì)ARM處理器，尤其是Cortex M內(nèi)核的最佳開發(fā)工具，可以進(jìn)行源文件開發(fā)、語(yǔ)法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、編譯鏈接、程序調(diào)試等。在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)流程如圖4所示。根據(jù)XY2-100協(xié)議，它使用的四路差分信號(hào)構(gòu)成一個(gè)速度為2Mbit/s的20位數(shù)據(jù)同步串行接口，數(shù)據(jù)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中時(shí)鐘信號(hào)SENDCK是一個(gè)頻率為2MHz的信號(hào)，當(dāng)它由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)數(shù)據(jù)位被寫入，由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)位被保存；SYNC信號(hào)用于提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同步信息，當(dāng)它從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)數(shù)據(jù)位的第一位數(shù)據(jù)被發(fā)送，從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)最后一位奇偶校驗(yàn)位通過(guò)奇偶校驗(yàn)算法算出奇偶校驗(yàn)值然后發(fā)送；CHANNELX/Y是數(shù)據(jù)信號(hào)，提供位置坐標(biāo)X、Y軸信息，它的數(shù)據(jù)有20位，其中前三位C2、C1、C0是振鏡運(yùn)動(dòng)方向值，一般選擇參考值為001，D15-D0是數(shù)據(jù)位，由16位二進(jìn)制數(shù)組成，用來(lái)控制振鏡轉(zhuǎn)過(guò)的角度大小，最后一位為奇偶校驗(yàn)位，當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)中有偶數(shù)個(gè)“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)位為“0”，有奇數(shù)個(gè)“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)位為“1”[3]。通過(guò)奇偶校驗(yàn)算法算出奇偶校驗(yàn)值，其算法是設(shè)立兩個(gè)校驗(yàn)變量checkX、checkY，初始值為0，在CHANNELX/Y前19位數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，每一位都進(jìn)行一次數(shù)據(jù)判斷，然后計(jì)數(shù)，當(dāng)19位數(shù)據(jù)發(fā)送完成后對(duì)checkX、checkY除2求余運(yùn)算得出奇偶檢驗(yàn)值，例如現(xiàn)在發(fā)送第18位數(shù)據(jù)，CHANNELX=（（（X坐標(biāo)&0x1）==0）？0:1），checkX+=（CHANNELX==1），這樣對(duì)每一位做一次按位與運(yùn)算再記到技術(shù)變量中就可以得到前19位數(shù)據(jù)中的1、0個(gè)數(shù)，最后第20位數(shù)據(jù)則可以通過(guò)除2求余得到校驗(yàn)值，CHANNELX=（（（checkX%2）==0）？0:1）。

圖4 軟件流程圖

圖5 數(shù)據(jù)時(shí)鐘結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)選擇STM32F767的GPIO輸出一路PWM波輸出作為時(shí)鐘信號(hào)，再利用定時(shí)器1中斷輸出X、Y數(shù)據(jù)信號(hào)及同步信號(hào)，設(shè)定0.25微秒產(chǎn)生一次中斷，一個(gè)周期為0.5微秒，利用一個(gè)20個(gè)元素的數(shù)組存儲(chǔ)狀態(tài)信息，以利于減少中斷處理時(shí)間。

4 幾何畸變優(yōu)化

而在理想情況下，振鏡控制系統(tǒng)的掃描角度與坐標(biāo)點(diǎn)存在如式（2）理想關(guān)系：

實(shí)際控制過(guò)程中理想狀態(tài)下掃描角度與理想坐標(biāo)點(diǎn)（X′,Y′）的處理關(guān)系如式（3）：

如果我們?cè)趯?shí)際加工中要想得到理想的坐標(biāo)，則需要對(duì)掃描角進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償量計(jì)算公式如式（5）：

綜上理論驗(yàn)證與實(shí)際計(jì)算，我們就可以對(duì)控制系統(tǒng)的桶枕形失真進(jìn)行一定的補(bǔ)償矯正，得到相對(duì)精準(zhǔn)的加工數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

通過(guò)上位機(jī)設(shè)定好加工數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)各信號(hào)檢測(cè)，實(shí)際測(cè)得信號(hào)如圖6所示，實(shí)際產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)滿足通訊協(xié)議要求，實(shí)際產(chǎn)生的同步信號(hào)也滿足通訊協(xié)議，可以為通訊系統(tǒng)提供準(zhǔn)確通訊時(shí)序節(jié)拍。從上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)綜合測(cè)試信號(hào)圖如圖7所示，從上位機(jī)發(fā)送一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為（1001,10000）的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)二進(jìn)制位0000001111101001,0010011100010000），系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無(wú)誤的將數(shù)據(jù)發(fā)送給振鏡電機(jī)。

圖6 時(shí)鐘同步信號(hào)

圖7 綜合測(cè)試信號(hào)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知通過(guò)串口的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確發(fā)送位置坐標(biāo)信息，控制時(shí)序正常無(wú)誤，20位數(shù)據(jù)執(zhí)行周期小于50μs最高可以實(shí)現(xiàn)每秒2萬(wàn)次振鏡的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以很好滿足控制系統(tǒng)對(duì)振鏡的高速、正確控制要求。再通過(guò)對(duì)桶枕形復(fù)合失真的矯正補(bǔ)償與未補(bǔ)償對(duì)比得到如圖8測(cè)試結(jié)果，從圖8中可以看出通過(guò)對(duì)桶枕形復(fù)合失真的矯正補(bǔ)償可以有效提高控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高速高精度要求。

圖8 桶枕形失真補(bǔ)償前后對(duì)比圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款高速高精度、低功耗、小型化的激光振鏡控制系統(tǒng)，采用高速ARM Cortex M7內(nèi)核的控制電路配合上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)振鏡的高速精準(zhǔn)控制，通過(guò)理論認(rèn)證與實(shí)驗(yàn)測(cè)試提出一種對(duì)桶枕形復(fù)合失真的矯正補(bǔ)償方法，有效提高振鏡控制系統(tǒng)的控制精度，優(yōu)化了目前業(yè)界存在的功耗高、體積大、控制復(fù)雜、失真度大等一系列振鏡控制問(wèn)題，并通過(guò)制作DEMO板完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)完成預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的控制效果，但由于振鏡控制系統(tǒng)電路復(fù)雜、工作環(huán)境干擾因素多，本系統(tǒng)還無(wú)法做到完美解決所有問(wèn)題，部分問(wèn)題亟待日后完善解決。

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High-speed Galvanometer Mirror Control System based on ARM Cortex M7 Core

CHEN Jun, LUO Wei-ping

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The laser processing technology is becoming muchmaturer. Its core difficulty lies in the design of the galvanometer control system. At present, there are still some problems in the laser galvanometer control part of the industry. This paper aims at the resolution of the current problem of large power consumption, low precision, and complicated circuit. As a result, a high-speed galvanometer control system based on ARM Cortex M7 core is designed. This design effectively reduces the attenuation during control signal transmission based on the XY2-100 protocol and proposes an effective optimization compensation for the inherent geometric distortion of the laser. The program, through the production of DEMO plates and experiments to verify the stability of the entire system, the speed, accuracy is superior to the industry's existing control system, which meets the actual processing requirements, and can achieve more than 20,000 times per second galvanometer deflection, and is of accurate position control. Thus, the system has a large application prospects.

Laser machining; galvanometer control; distortion compensation; STM32; High speed; low power consumption

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與智能控制、信號(hào)與信息處理.

TG333

A

2095－414X(2018)06－0025－06