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 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

激光加工技術(shù)日益成熟，其技術(shù)的核心難點在于其振鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計，目前業(yè)界在激光振鏡控制部分還存在一些問題。本文針對目前存在的功耗大、精度低、電路復雜等問題，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)，有效降低控制信號傳輸過程中的衰減，并對激光固有的幾何畸變提出一種有效的優(yōu)化補償方案，通過制作DEMO板和試驗驗證了整個系統(tǒng)的運行穩(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，滿足實際加工要求，可實現(xiàn)每秒2萬多次振鏡偏轉(zhuǎn)，位置控制準確，本系統(tǒng)具有較大應用前景。

激光加工；振鏡控制；畸變補償；STM32；高速；低功耗

高速激光振鏡是應用在激光加工行業(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)應用最為廣泛的一種掃描方式，主要是指振鏡電機帶動反射鏡偏轉(zhuǎn)，進而帶動激光光束在掃描平面上移動，進行掃描，振鏡電機采用X、Y兩個電機控制，一個時刻確定一個點的位置，通過掃描頻率控制不同時刻點的位置從而達到整個掃描圖案的變換，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機控制，其控制數(shù)據(jù)由軟件產(chǎn)生，經(jīng)過PC機中斷送出，但由于PC機的非實時系統(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，由此也會帶來激光控制系統(tǒng)的幾何畸變[1]，無法滿足現(xiàn)代激光控制系統(tǒng)要求的高精度、小型化、低功耗等要求。

本文針對上述問題設(shè)計了一款高精度、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)計了一款集成化程度高，將控制電路與轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路等精簡化，對幾何畸變進行了優(yōu)化補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反射激光束，使得這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸偏轉(zhuǎn)，從而達到激光束的偏轉(zhuǎn)，再通過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動，從而使激光在工件上掃描，最終形成預期的圖案，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

控制電路和驅(qū)動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UART串口從上位機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)送信號到驅(qū)動電路再由驅(qū)動電路內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生振鏡電機所需要的模擬信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動完成驅(qū)動振鏡擺角。在振鏡的運動控制系統(tǒng)中，本設(shè)計選用高性能的基于ARM Cortex M7 32位RISC內(nèi)核的STM32 F767芯片為主控芯片，其性能優(yōu)越帶有自適應實時加速器、4KB數(shù)據(jù)高速緩存和4KB指令高速緩存，并擁有多達18個定時器、25個通信接口以及168個I/O端口，最主要的是F767的工作頻率高達216MHz，這能大大提高控制系統(tǒng)的運行速度和整體性能，也可以進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：SENDCK（時鐘信號）、SYNC（同步信號）、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)動電路控制激光振鏡，那么信號極易受外界電磁干擾或信號噪聲水平高，而差分數(shù)字信號傳輸控制命令可以很好地解決這些干擾問題，以差分數(shù)字信號傳輸，然后在接收端的振鏡驅(qū)動電路中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得控制信號。本設(shè)計用STM32F767的GPIO端口輸出數(shù)字信號，再選用AM26C31芯片，將產(chǎn)生的控制信號轉(zhuǎn)化為差分信號，傳送到驅(qū)動電路。

控制系統(tǒng)的驅(qū)動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)動電路系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖

驅(qū)動電路接收從控制電路過來的差分信號，對輸入的差分信號進行減法運算還原為數(shù)字信號，再通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路對信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)化，經(jīng)過功率放大處理后輸出模擬電壓驅(qū)動振鏡電機擺動。

3 系統(tǒng)軟件

TM32F767支持C語言、匯編語言，由于C語言可讀性強、可移植性好，加之其自帶豐富的官方HAL庫主要由C語言編寫，所以本控制系統(tǒng)采用C語言編程。STM32開發(fā)環(huán)境采用德國KEIL開發(fā)的MDK集成開發(fā)環(huán)境，它是目前針對ARM處理器，尤其是Cortex M內(nèi)核的最佳開發(fā)工具，可以進行源文件開發(fā)、語法動態(tài)監(jiān)測、編譯鏈接、程序調(diào)試等。在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計的軟件系統(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構(gòu)成一個速度為2Mbit/s的20位數(shù)據(jù)同步串行接口，數(shù)據(jù)時鐘結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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

圖4 軟件流程圖

圖5 數(shù)據(jù)時鐘結(jié)構(gòu)圖

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

4 幾何畸變優(yōu)化

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

實際控制過程中理想狀態(tài)下掃描角度與理想坐標點（X′,Y′）的處理關(guān)系如式（3）：

如果我們在實際加工中要想得到理想的坐標，則需要對掃描角進行補償，補償量計算公式如式（5）：

綜上理論驗證與實際計算，我們就可以對控制系統(tǒng)的桶枕形失真進行一定的補償矯正，得到相對精準的加工數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

通過上位機設(shè)定好加工數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制系統(tǒng)，經(jīng)過對控制系統(tǒng)各信號檢測，實際測得信號如圖6所示，實際產(chǎn)生的時鐘信號滿足通訊協(xié)議要求，實際產(chǎn)生的同步信號也滿足通訊協(xié)議，可以為通訊系統(tǒng)提供準確通訊時序節(jié)拍。從上位機上傳數(shù)據(jù)綜合測試信號圖如圖7所示，從上位機發(fā)送一個坐標點為（1001,10000）的坐標數(shù)據(jù)（對應二進制位0000001111101001,0010011100010000），系統(tǒng)可以準確無誤的將數(shù)據(jù)發(fā)送給振鏡電機。

圖6 時鐘同步信號

圖7 綜合測試信號

根據(jù)測試結(jié)果可知通過串口的數(shù)據(jù)可以準確發(fā)送位置坐標信息，控制時序正常無誤，20位數(shù)據(jù)執(zhí)行周期小于50μs最高可以實現(xiàn)每秒2萬次振鏡的高速轉(zhuǎn)動，可以很好滿足控制系統(tǒng)對振鏡的高速、正確控制要求。再通過對桶枕形復合失真的矯正補償與未補償對比得到如圖8測試結(jié)果，從圖8中可以看出通過對桶枕形復合失真的矯正補償可以有效提高控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高速高精度要求。

圖8 桶枕形失真補償前后對比圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一款高速高精度、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實現(xiàn)對振鏡的高速精準控制，通過理論認證與實驗測試提出一種對桶枕形復合失真的矯正補償方法，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、控制復雜、失真度大等一系列振鏡控制問題，并通過制作DEMO板完成了相關(guān)實驗測試，系統(tǒng)運行各項指標完成預期目標，取得了良好的控制效果，但由于振鏡控制系統(tǒng)電路復雜、工作環(huán)境干擾因素多，本系統(tǒng)還無法做到完美解決所有問題，部分問題亟待日后完善解決。

[1] 陳苗海．中國激光加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]．激光與紅外，2004，(01)．

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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：檢測技術(shù)與智能控制、信號與信息處理.

TG333

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2095－414X(2018)06－0025－06