DSP 和 FPGA 在大尺寸激光数控加工系统中的运用

激光切割和雕刻以其精度高、视觉效果好等特性，被广泛运用于广告业和航模制造业。在大
尺寸激光加工系统的开发过程中，加工速度与加工精度是首先要解决的问题。解决速度问

题的一般方法是在电机每次运动前、后设置加、减速区，但这会使加工数据总量成倍增加。
除此之外，庞大的数据计算量也需要一个专门的高性能处理器来实现。
　　FPGA(现场可编程门阵列)在并行信号处理方面具有极大的优势。本系统采用 FPGA 作
为加工数据的执行器件。这种解决方案突出的特点是让运动控制的处理部分以独立的、硬件
性方式展开，增加系统的性能和可靠性，从而有效地解决了用单纯的 MCU 或 DSP 系统处
理的带宽限制，以及用户系统软件和运动控制软件混杂性的问题。
　　当今国内外市场上已经陆续出现类似的 FPGA 产品，这些产品大多使用 FPGA 完成从
原始数据处理到执行的全部工作。此种结构虽然可以简化 FPGA 外部的电路设计，但是由
于 FPGA 做复杂数学计算的能力有限，不能对复杂图形尤其是不规则图形做出全面的分析 ，
导致加工速度无法进一步提升。除此之外，这些产品大多采用写入一条数据、执行一条数据
的工作方式，造成了执行相邻两条数据间的加工停顿，破坏了加工的流畅性，在加工复杂
图形时还会明显地影响加工速度。
　　本系统使用数字信号处理器 DSP 完成复杂的图形分析计算，这样既可以对复杂图形做
出全面的分析又不会丧失系统性能。除此之外，本系统还在 FPGA 内部采用了双存储器交
替加工的结构，从根本上消除了相邻数据间的加工停顿。
　　1 系统设计
　　激光加工系统主要是以切割、雕刻等工艺完成对金属、非金属的加工。切割是指系统在
控制工作头做矢量运动的同时，配合激光在被加工物体上切割出不同的线条；雕刻是指系
统控制激光头在一定区域内进行往复扫描，以类似打印机的方式在被加工物体上刻出深浅
不一的图案。本系统采用由计算机获得图形并传输至下位机，由下位机保存图形并脱机加
工的结构。
　　图 1 为系统的结构示意图。在数据传输阶段，加工数据由计算机通过以太网或并口，
以 图 名 、 图 号 为 标 志 传 入 DSP （ TMS320VC33 ） ， DSP 将 数 据 按 协 议 解 析 后 存 入
FLASH（K9F1G08U0A）存储器。在脱机加工阶段，DSP 将数据从 FLASH 存储器重新读出
并进行处理、计算，并将最终的加工数据输入 FPGA（EP1C6T144C8）内部的加工模块，控
制 FPGA 输出加工信号。在系统运转的整个过程中，DSP 还要通过建于 FPGA 内部的通讯
模块和单片机交换数据，获取有关人机界面和诸如限位开关、激光器散热水泵等保护器件
的工作状态。

　　加工信号预处理电路主要由数模转换器和光电隔离器组成。它负责将 FPGA 输出的加
工信号进行处理后驱动步进电机和激光器。
　　2 DSP 的软件设计