基于ARM和FPGA的激光打标机研制

论文摘要

激光打标是利用高能量密度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化,从而在各种不同的物质表面打上永久标记的一种标记方式,是在激光焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术和标记工艺。目前,国内外在激光打标控制系统上一般采用单片机控制或者PCI板卡控制作为核心控制系统,在飞行打标上前者控制精度跟不上速度要求,后者体积过于庞大,不易移动且成本相对较高。本文提出一种以ARM微处理器和FPGA相结合,作为打标系统控制核心的设计方案,解决了上述难题,使新一代嵌入式激光打标机既具低成本轻便性,又能高精度快速打标。课题“基于ARM和FPGA的激光打标机控制”是与张家港金米兰公司合作的项目,亦是与理工大过程控制研究所合作的项目。课题从激光打标技术的优点入手,研究了国内外激光产业的发展现状,分析了激光产业的需求走势及人们对激光打标的关注度。然后介绍了激光打标机系统组成,工作原理及零部件选型,提出控制系统的结构及总体方案。在系统方案实施设计中,采用EDA软件Cadence进行原理图和PCB设计,并对FPGA输出到AD1866转换等线路进行了信号完整性研究和仿真分析,以确保飞行打标时硬件在高速状态可靠的运行,控制效果能优于PCI板卡控制。同时,人机界面采用了触摸屏技术,结合迪文科技产品进行二次开发,大大缩短开发周期和降低成本。硬件平台建立以后,实现了uC/OS-Ⅱ实时多任务嵌入式系统移植,并作了应用程序设计说明及与FPGA通讯联合控制,在程序设计上介绍了几种常用打标算法并作了打标样本展示。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光打标优点
• 1.3 激光打标现状
• 1.3.1 国外激光产业发展现状
• 1.3.2 我国激光产业发展现状
• 1.4 课题研究的主要内容和意义
• 第二章 激光打标机控制方案及组成
• 2.1 激光打标机控制系统的总体方案及结构
• 2.2 激光打标机主要组成部分
• 2.3 激光器的选型
• 2.4 振镜的选型及控制
• 2.5 旋转编码器选型及控制
• 2.6 电源选型
• 2.7 本章小结
• 第三章 打标控制系统硬件原理图设计
• 3.1 开发环境简介
• 3.2 控制系统板载电源设计
• 3.2.1 电源接口
• 3.2.2 板载电源设计
• 3.3 控制系统ARM部分设计
• 3.3.1 ARM核心处理器
• 3.3.2 S3C44BOX原理图设计
• 3.3.3 FLASH&SDRAM
• 3.3.4 串口设计
• 3.3.5 网线接口设计
• 3.3.6 ARM控制部分JTAG设计
• 3.3.7 报警设计
• 3.4 FPGA及外围电路原理图设计
• 3.4.1 FPGA应用原理图设计
• 3.4.2 FPGA的FLASH及接口电路
• 3.4.3 键盘接口电路
• 3.4.4 振镜控制电路
• 3.4.5 主要外设控制接口电路
• 3.4.6 复位电路设计
• 3.4.7 预留接口
• 3.5 本章小结
• 第四章 打标控制系统硬件PCB设计
• 4.1 打标系统硬件PCB设计流程
• 4.2 打标机高速PCB设计部分条件分析
• 4.3 硬件设计环境Allegro简介
• 4.4 打标控制硬件设计预布线准备
• 4.5 制板布局
• 4.6 硬件系统布线
• 4.7 仿真分析
• 4.7.1 仿真IBIS模型加载
• 4.7.2 提取网络的拓扑结构进行仿真
• 4.8 本章小结
• 第五章 打标机人机界面设计
• 5.1 打标机HMI简介
• 5.2 打标控制系统触摸屏选型
• 5.3 打标机HMI工作模式
• 5.4 打标控制界面设计
• 5.5 触摸屏界面配置设计
• 5.5.1 界面下发调试
• 5.5.2 界面设计后的软件输入控制
• 5.6 本章小结
• 第六章 控制打标研究
• 6.1 打标系统控制结构
• 6.2 ARM控制部分μC/OS-Ⅱ系统实现
• 6.2.1 编译环境选择
• 6.2.2 μC/OS-Ⅱ系统移植
• 6.3 打标应用程序的编写
• 6.4 打标机FPGA软件控制部分
• 6.4.1 开发环境简介
• 6.4.2 FPGA软件实现
• 6.5 打标方式选择
• 6.6 点阵打标控制
• 6.6.1 点阵汉字字模数据的提取
• 6.6.2 字模提取程序
• 6.6.3 点阵打标快速算法的实现
• 6.7 打标图样
• 6.8 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 课题总结
• 7.2 课题展望
• 参考文献
• 详细摘要
• Abstract