1、 引言

由于激光具有优异的单色性、相干性、方向性，同时具有很高的能量密度，因此广泛应用于材料加工。随着物品打标过程中对防伪、精度、环保等方面的需求日益提高，激光标刻设备，特别是激光飞动标刻设备的应用日益广泛^[1]。

    本文主要对标刻设备中控制系统软硬件设计进行了介绍。着重分析了基于PCI的控制卡的电路设计、WDM驱动的设计及相关测试环境的设计中的关键问题，同时对标刻软件的主要功能进行了介绍，最后对板卡的部分功能进行了测试分析。该控制系统具有4路12位DA输出、3路16位计数器、4路DI/DO、1路IP软核控制的PWM激光功率控制输出功能。系统在应用中性能稳定，功能完备，使用简便，已广泛应用于工业生产。

2、 系统控制卡设计

    激光标刻系统控制卡是整个控制系统的中枢，连接着控制软件与执行机构。本设计方案中控制卡电路包括PCI总线接口控制电路、本地逻辑控制、功能模块三部分。控制卡总体结构如图1。

    其中本地逻辑控制中组合逻辑模块用于本地控制信号的逻辑控制；数据交换模块为数据缓存器，对部分控制信号进行存储、变换；特征信息存储模块用于保存系统某些特征配置信息，与软件配合实现对控制系统的特征识别及安全控制。在本系统中将本地逻辑控制及部分IP软核实现的功能均集成于ALTERA的CPLD控制器EPM7064中，可在线编程扩展系统功能。

2.1 PCI接口设计

    系统采用PLX公司PCI总线控制芯片PCI9052作为接口芯片^[2]，其E²PROOM配置芯片为HT93LC46。接口芯片的使用简化了总线逻辑的处理，使工作集中在本地逻辑设计中，同时提高系统得稳定性及容错能力。

    采用CPLD器件将本地逻辑的处理及控制数据的存储等功能集于一身，减少了分离器件的使用，简化了PCB布线，同时使系统模块化程度大大提高，利于系统的扩展。利用CPLD的在线编程的优点，将系统得特征信息存储其中，与软件配合就可实现系统的硬件加密。同时CPLD器件自身也具有加密功能，可有效提高系统的安全性。

2.2 IP软核设计

    CPLD的应用使系统的设计配置灵活，可根据整体需要设计IP软核，在实现同等功能条件下节约板载资源。系统根据需要设计PWM控制器，用于实现激光功率调制。8位的控制精度实现占空比0~1的256级调节。该部分采用ALTERA公司的硬件编程语言AHDL设计^[3]，根据激光功率的需要实现基频为4K脉宽调制波输出。

    其中Load为控制数据载入控制端，在该信号有效时将8位控制数据IN[7..0]载入内部控制寄存器。EN信号为输出有效信号，用于控制PWM输出，当该信号有效时，PWM输出。LCLKIN信号为IP软核的工作频率，PWM输出的基频是由该信号分频而得出的。软核内部控制语句如下，其中PWMDATA为PWM波输出的控制逻辑，当其输出为高电平时，输出进行翻转。

IF(Load) THEN                           %当载入新控制数据时，PWM重新输出%

       PDataB[].d=0;

       PWMRe.d=GND;

       PWMDATA=VCC;                         %输出跳变%

    ELSE

    IF (EN) THEN                             %当PWM输出有效%

    IF (PDataB[7..0].q==PDataH[7..0] OR PDataB[7..0].q==255) THEN  

            PWMDATA=VCC;                    %当PWM输出跳变%

        ELSE  PWMDATA=GND;

        END IF;

        PDataB[].d=PDataB[].q+1;

        PWMRe.d=!PWMRe.q;  

    ELSE                                    %当PWM输出无效%

        PDataB[].d=0;

        PWMRe.d=GND;   

        PWMDATA=VCC;                         %输出跳变为低%  

    END IF;

    END IF;

    最后，对PWM的输出线性度进行了测试如图4 ，图中横轴为控制数据，范围为0~255，纵轴为占空比为百分比值。由测试数据可以看出，采用此调节方法系统线性度好，控制有效，能实现精确的控制。相比采用PWM控制器件TL494实现脉宽控制方式，线路设计简单，节省一路DA控制信号及多个调节电阻电容类元件。

2.2 WDM驱动程序设

    WDM驱动程序模型支持即插即用（PnP），电源管理、Windows管理接口等功能。在Windows2000以后的操作系统中，引入这一技术，将其作为应用程序与硬件系统的联系纽带，取消应用程序对硬件的直接操作，极大提高了系统的稳定性，安全性。因此在系统硬件设计时，对WDM驱动程序进行了开发。WDM驱动程序设计的文章较多^[4]，本文从软硬件结合的角度对其中的关键点进行探讨。

    操作系统通过对PCI插槽的扫描获取控制卡的相关信息，并进行相应的配置。WDM驱动程序通过Device ID及Vendor ID与卡进行通讯，PLX公司的默认配置参数为5201、10B5，在板卡调试阶段可用此配置，就可安装其提供的测试驱动及板卡调试程序PLXMON对板卡的设计进行初步测试。

    WDM程序通过ID发现板卡后就可以获取系统分配给板卡相关资源信息，主要是地址空间包括内存地址空间和I/O空间两种，本设计中根据需要映射了1k内存空间及32个IO空间。通过对相关资源的操作即可实现对板卡的控制。DWM驱动程序还需为应用程序提供相关的控制接口，应用程序就可通过WINDOWS标准的CreateFile函数打开设备，调用READ，WRITE语句及相应参数对硬件进行控制。

3、 系统软件设计

    针对板卡的调试及实际激光标刻系统的应用，分别开发了板卡功能测试软件及基于点阵和矢量的标刻软件系统。

    板卡功能测试软件能完成对板卡所有功能的测试。可选择PCI类型设备，对PCI卡进行操作。

    提供通道选择功能用于DA控制输出的测试，系统选用模拟其间公司12位DA控制器件AD7847作为关键器件，实现-5~+5伏及0~10伏模拟电压输出，DA线性度测试结果如图6。

    其中横轴为控制数据，12位DA转换控制数据为0至4095，模拟输出范围为-5伏至+5伏。通过测试软件的设计，提高了系统设计的效率同时可分开对各模块的实际效能进行测试，及时发现各个模块设计的不足，使系统在实际标刻过程中更稳定。

    激光标刻软件系统可方便地编辑单线体文字、TTF文字、日期、时间、序列号。可自动进行图形对齐、圆形排版功能，可以用鼠标绘制图形，可方便地导入PLT图形文件，以及从BMP图象提取图形轮廓。，它在不影响生产线正常运作的情况下实现流水生产线上产品的激光在线标刻，从而大大提高生产效率。标刻速度范围达到0-60米/分或1-20标/秒（依标刻内容而定）。

    系统可方便修改标刻内容，设置标刻功率大小、速度快慢等控制参数。标刻线条流畅，深浅自如.用户还可设计特殊的防伪码，因为采用了数据加密技术，不同的用户即使都拥有标刻系统，也不能标刻完全一样的内容，使得系统具备良好的防伪标刻功能。系统标刻的实际标刻效果如图7 。

4、 总结与展望

    基于计算机PCI总线规范的激光标刻控制系统，提高了标刻速度，增强了系统对不同生产线的适应能力；设计开发了我indows2000及xp下的WDM驱动程序，提高了系统的稳定性，减少了误操作造成的系统死机、蓝屏等现象；采用CPLD软核设计方式，提高系统的的灵活性；各种配套软件的开发，极大的缩短系统制造周期。

参考文献：

[1] 蒋毅，周宏，蒋明，陈晓. 基于PC的激光标刻系统控制卡设计[J]. 计算机测量与控制, 2004（6）：544-546.　

[2] PLX Technology. PCI9052 Data Book[M]. 2001, 9.

[3] 李国丽. 用PLD芯片和AHDL语言进行交通灯控制器设计[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版).2002(04):545-548.

[4] 袁魏华，季鹏，乔卫民.基于WDM模型的PCI卡驱动程序设计[J]. 计算机工程与设计[J].2005(02):537-539.