吳淇（科德數(shù)控股份有限公司，遼寧大連，116600）

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光纖激光器接口與光纖總線傳輸技術(shù)研究及案例應(yīng)用探究

吳淇
（科德數(shù)控股份有限公司，遼寧大連，116600）

應(yīng)用Glink總線，研究了光纖總線與光纖激光器接口之間的傳輸技術(shù)，按照實(shí)時(shí)性要求使Glink子棧設(shè)備控制時(shí)序嚴(yán)格同步。在控制光纖激光器接口操作中，本文論述了光纖激光器接口模式和內(nèi)容，以及光纖總線的傳輸方式，通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn)其接口驅(qū)動的開發(fā)，并在數(shù)控系統(tǒng)中加以驗(yàn)證。

固態(tài)激光器；傳輸技術(shù)；FPGA；伺服驅(qū)動系統(tǒng)

引言

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上研發(fā)，具體方法是：在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出［1］。

目前，光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，其中IPG公司是全球高功率光纖激光器和放大器的領(lǐng)導(dǎo)者，由它生產(chǎn)的高效光纖激光器、光纖放大器正在進(jìn)行著不斷的性能革新與突破，并被廣泛應(yīng)用于材料加工、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域中［2］。

光纖激光器有著豐富的接口，想要完全控制激光器，就必須控制接口，這在操作上比較復(fù)雜。數(shù)控系統(tǒng)在通信上要求保持雙工通信，由于光纖總線協(xié)議設(shè)計(jì)為全數(shù)字連接，保證了通信傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

本文研究了以太網(wǎng)現(xiàn)場Glink總線與光纖激光器的接口問題［3］，對光纖激光器接口進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并將其特性在科德數(shù)控股份有限公司自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中加以驗(yàn)證。

1　光纖激光器接口

大連光洋科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的光纖Glink總線。它是以高實(shí)時(shí)性、高同步性為核心優(yōu)勢的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線［4］。Glink總線網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)中包含完善的時(shí)鐘定時(shí)基準(zhǔn)，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)幀收發(fā)的時(shí)序，提高實(shí)時(shí)性的同時(shí)使Glink子棧設(shè)備的控制時(shí)序嚴(yán)格同步（同步誤差不超過±270ns）。Glink總線的物理層通訊速率達(dá)100Mbps，其傳輸介質(zhì)采用多模光纖抗干擾能力強(qiáng)。Glink總線體系結(jié)構(gòu)中不僅包含OSI參考模型中的應(yīng)用層、鏈路層、物理層還包含了網(wǎng)絡(luò)層，這在工業(yè)現(xiàn)場總線中是很少見的。Glink總線突出設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)層，嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)幀收發(fā)的時(shí)序。

Glink總線與光纖激光器接口有兩種接口。

1.1“TEST”接口

此接口包含4種連接方式。

（1）手動操作

在手動操作連接方式中，如圖1所示，只通過網(wǎng)絡(luò)接口所用的交叉線連接到主控接口上。若使用HUB，請使用直連線。主控接口通過專用軟件連接激光器，并控制激光器。

圖1　手動操作方式連接圖

（2）激光編程

在激光編程連接方式中，連接方式與手動操作相同，見圖1，只是專業(yè)軟件應(yīng)使用激光程序控制功能。

（3）外部調(diào)制

在外部調(diào)制連接方式中，如圖2所示，用戶使用專業(yè)軟件選擇外控，然后單擊軟件中“發(fā)射”按鈕后，若用戶送入24V 信號，則出激光，送入0V，則關(guān)光。

圖2　外部調(diào)制方式連接圖

（4）模擬量控制

模擬量控制連接方式，如圖3所示，首先使用PC 連接激光器，啟動專業(yè)軟件，選擇模擬量控制方式，然后按照手動操作流程啟動，并選擇模擬量控制方式。然后XP4接口設(shè)置0－10V模擬電壓來設(shè)置功率，XP2接口24V 電壓控制激光的開關(guān)。

圖3　模擬量控制連接圖

1.2“ROBOT”接口

此接口包含3種連接方式。

（1）遠(yuǎn)程模擬量控制

專業(yè)軟件在此連接方式下，只能監(jiān)視硬線控制的輸入輸出信號。其中用戶須為XP1接口提供24V（DC）（B15－24V，B16-GND），和21路24V數(shù)字輸入信號，另外應(yīng)能接收激光器輸出的19路24V數(shù)字信號。同時(shí)，用戶須提供0-10V可調(diào)的模擬量輸入電源。連接如圖4所示。

圖4　遠(yuǎn)程模擬量控制連接圖

（2）內(nèi)部控制

如圖5所示，用戶須為X P 1接口提供2 4 V （DC）（ B15－24V，B16-0V）。用戶使用此方式時(shí)通過硬線接口設(shè)置內(nèi)部控制，可使用專業(yè)軟件設(shè)置激光功率。

圖5　遠(yuǎn)程內(nèi)部控制模式連接圖

（3）激光編程

激光編程方式連線與圖5 相同，不同之處在于此方式下用戶是預(yù)先對激光機(jī)編好程序并用硬線控制接口信號來控制時(shí)序。

2　通信模式

2.1“TEST”—本地通信模式

（1）手動控制

在該模式下，PC 通過網(wǎng)口控制激光器。

（2）外部調(diào)制

如圖6所示，若工作于外部調(diào)制模式，專業(yè)軟件和XP2接口的“+4－25V”直流電壓信號必須提供。高電平－出光，低電平－關(guān)光。外部調(diào)制模式除了外部電壓信號，與手動控制模式基本相同。外部調(diào)制模式只有處于“TEST”位置有效。

（3）模擬量控制

圖6　外部調(diào)制時(shí)序圖

模擬量控制模式，“TEST”和“ROBOT”模式都可以使用，時(shí)序圖參考圖7。模擬量控制模式與外部控制模式類似，只是功率調(diào)節(jié)由XP4接口控制，而不能使用專業(yè)軟件控制。在模擬量控制模式下，外部調(diào)制信號和模擬信號都必須提供。模擬量用于設(shè)置輸出功率：0VDC 對應(yīng)于0W，10VDC 對應(yīng)于標(biāo)稱功率。

圖7　模擬量控制時(shí)序圖

2.2“ROBOT”——遠(yuǎn)程通信模式

（1）模擬量控制

與“TEST”中的模擬量模式方式相同。

（2）硬線控制

XP1 硬線接口是工業(yè)專用的控制接口。依據(jù)硬線接口定義，連接控制器。XP1 硬線接口只有在“ROBOT”下有效。專業(yè)軟件在該模式下具有監(jiān)控功能，沒有激光器的控制功能。

如果沒有選擇程序號，則默認(rèn)程序號0 激活。當(dāng)A2—Program Start 設(shè)置為高電平，激光將會出光。當(dāng)A3－Internal Control 激活時(shí)，功率通過專業(yè)軟件設(shè)置。若A6－Analog Control 激活，功率由模擬量控制，如圖8所示。

如果選擇程序號，則程序號1-50被激活。按照設(shè)定的程序進(jìn)行控制。

圖8　程序號0-內(nèi)部控制時(shí)序

3　基于激光器的接口和光纖總線在數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)中的驗(yàn)證

3.1硬件平臺設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選用大連光洋科技集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的光纖總線式全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)為主要硬件平臺。該數(shù)控系統(tǒng)為光纖總線開放式高檔數(shù)控系統(tǒng)，采用經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)制造的工業(yè)級PC、Windows系統(tǒng)、實(shí)時(shí)內(nèi)核、軟件數(shù)控等先進(jìn)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)。圍繞繞光纖總線協(xié)議在軟硬件方面對數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，采用高性能數(shù)控專用主板以及基于Glink光纖總線協(xié)議的PLC、伺服驅(qū)動器和機(jī)床鍵盤，是目前世界上高檔數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)最少、最先進(jìn)的體系。接口設(shè)計(jì)如圖9所示，實(shí)驗(yàn)中所選用光纖總線模塊為自主研發(fā)的光纖總線通信模塊，F(xiàn)PGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，接口電平轉(zhuǎn)換模塊是選用的自主研發(fā)的PLC數(shù)字電平轉(zhuǎn)換模塊來實(shí)現(xiàn)。

圖9　設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)是數(shù)控系統(tǒng)通過光纖總線與激光器的接口進(jìn)行連接通信，利用FPGA采集總線的信息通過再次開發(fā)的接口模式進(jìn)行對激光器的控制。圖10表示再次開發(fā)的接口時(shí)序，圖11表示數(shù)據(jù)的格式，0x8805表示地址信息，bit0～11表示數(shù)據(jù)信息。

圖10　接口時(shí)序

圖11　數(shù)據(jù)格式

3.2實(shí)驗(yàn)測試

圖12為通過Glink總線連接到數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備的組態(tài)分布圖，激光機(jī)的接口通過FPGA組態(tài)成一個(gè)外設(shè)設(shè)備映射到系統(tǒng)中［5］。

圖12　激光器接口在數(shù)控系統(tǒng)中的映射

4　結(jié)論

基于總線式的激光器接口應(yīng)用，其安全可靠性高和安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，光纖總線協(xié)議具有其他工業(yè)現(xiàn)場協(xié)議不可比擬的優(yōu)勢。未來的工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)，讓激光器以總線式的方式集成于數(shù)控系統(tǒng)控制中是更加簡單高效的趨勢。

［1］YLS-2000-CT application note：Operating ManualYtterbium Laser System.

［2］Clive“MAX”Maxfield FPGA權(quán)威指南.人民郵電出版社，2012.陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］王廣雄，何朕著，陳新海.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［4］吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì).高級篇［M］.北京:人民郵電出版社，2005.7.

吳淇（1987-，男，遼寧大連，本科，助理工程師，電子研發(fā)/品質(zhì)管理，電子研發(fā)工程師以及品質(zhì)工程師。

E-mail: keywoo.w@dlkede.com

ResearchingTransmission Technology Based on Fiber Laser Interface and Fiber-optic Bus & Application in Numerical Control system

Qi Wu
（Kede Numerical Control CO.， LTD.， Dalian， Liaoning， 116600， China）

ApplingGlinkbus ，tostudytransmission technology between optical bus and fiber laserinterfaces. In accordance with the requirements of real-time control device makes Glink sub-stack strict timing synchronization.In the fiber laser control interface operation， the paper discusses the content and interface mode fiber lasers and the transmission of optical bus， through FPGA programming to achieve its interfacedriven development， and verified in the numerical control system.

Fiberlaser； Optical Bus； FPGA； Numerical Control System

TP206

A

2095-8412 （2016） 03-367-05