孔慶芳

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，天津　300350)

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基于嵌入式以太網(wǎng)通信的激光標刻系統(tǒng)的設(shè)計

孔慶芳

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，天津300350)

摘要：ENC28J60作為以太網(wǎng)通信控制芯片，將uIP協(xié)議棧移植到以太網(wǎng)通信中，以實現(xiàn)對上位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行實時的接收和處理。同時采用多任務狀態(tài)在系統(tǒng)調(diào)度下進行自動切換、不間斷運行以滿足在激光加工中的實時性和精確性的要求。通過對實際加工進行測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的加工精度較高，傳輸?shù)目煽啃?、實行性較強，能夠滿足激光標刻的各項技術(shù)指標，運行穩(wěn)定良好。

關(guān)鍵詞：激光標刻；嵌入式控制器；以太網(wǎng)；協(xié)議棧；實時操作系統(tǒng)

激光因具有良好的單色性、相干性、方向性和高亮度等優(yōu)點，廣泛應用于生產(chǎn)加工，特別是材料加工方面，有力地推動了汽車、電子電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟重要行業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，與此同時，激光標刻技術(shù)成為激光應用中最有發(fā)展前途的領(lǐng)域之一。激光標刻技術(shù)是上世紀90年代興起的熱門工業(yè)加工新技術(shù)，這種技術(shù)是把光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在材料表面上照射能量較高的激光束，在材料表面上迅速產(chǎn)生蒸汽或發(fā)生光化學反應，刻出所需要的文字和圖形。

激光標刻技術(shù)在國際上發(fā)展比較成熟，已被市場接受而廣泛應用于生產(chǎn)。現(xiàn)在，在國內(nèi)涉及此技術(shù)的公司也有一些，主要的核心技術(shù)已經(jīng)不是激光技術(shù)，而是轉(zhuǎn)化為對此技術(shù)和操作系統(tǒng)的控制力方面。提高激光掃描速度和快速實現(xiàn)精確定位等問題已經(jīng)成為提高市場占有率的關(guān)鍵。

本文設(shè)計了一種嵌入式控制器，選用了基于ARM Cortex-M4內(nèi)核32位處理器的STM32系列芯片，運用uCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)平臺對多個實時任務進行任務調(diào)度，上位機和控制器之間的通訊采用基于uIP協(xié)議棧的以太網(wǎng)通訊模式，代替了傳統(tǒng)的串口通信模式，從而使系統(tǒng)的實時響應和精確定位功能更加優(yōu)越，同時，因其功耗控制度較好，因此，在激光標刻操控系統(tǒng)的改進及控制方面具有重要的實踐意義。

一、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計是在天津市激光技術(shù)研究所激光標刻機的基礎(chǔ)上調(diào)試完成的，激光標刻器采用的是掃描振鏡式結(jié)構(gòu)，即將激光束入射到兩反射鏡(振鏡)上，這兩個振鏡可分別沿 X-Y 軸掃描，同時通過控制反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度，從而使激光能在被標刻的工件表面上打出數(shù)字、文字、圖形等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由人機交互部分、核心控制部分、信號采集和處理部分3個單元組成。系統(tǒng)主控芯片選用法國意法半導體公司的基于ARM Cortex-M4架構(gòu)的STM32F407VGT6，Cortex-M4是以數(shù)字信號混用為主導，在信號處理方面以及控制方面都具有明顯優(yōu)勢，并且Cortex-M系列處理器具有成本低、功耗小的特點。因此，能夠滿足自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、電源管理領(lǐng)域等多方面的需求。Cortex-M4的核心部分集成了DSP組件，便于進行數(shù)字信號的高速處理，同時具有USB、 OTG、 HS/FS、Ethernet等接口，可以方便的對其進行與上位機的通信開發(fā)。

系統(tǒng)的工作原理：首先在人機交互界面利用相應的激光加工繪制軟件進行標刻圖形的繪制，然后通過網(wǎng)絡服務終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破髦羞M行存儲，主控器采用基于uCOS-II搶占式內(nèi)核的實時嵌入式操作系統(tǒng)作為主控單元，其功能為負責標刻圖形的以太網(wǎng)傳輸，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以及負責其他控制信號的處理。其中信號處理單元主要包括激光功率控制信號、掃描振鏡控制信號、工件檢測信號、伺服電機驅(qū)動信號、生產(chǎn)線速度控制信號及工作區(qū)域原點、邊界到位信號等。

二、以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計

(一)模塊硬件設(shè)計

在工業(yè)通信領(lǐng)域中，以太網(wǎng)具有傳播速率高、網(wǎng)絡資源豐富、系統(tǒng)功能強、安裝簡單和使用維護方便等優(yōu)點。100 Mb/s的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應用，目前，1Gb/s以太網(wǎng)也開始應用，相比速率最高只能達到12Mb/s的現(xiàn)場總線(如西門子Profibus-DP)在速度上可以達到工業(yè)要求。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計采用ENC28J60以太網(wǎng)控制器，網(wǎng)口終端采用HR911105A集成變壓器的RJ45網(wǎng)絡接口。符合IEEE802.3標準的ENC28J60芯片是帶有行業(yè)標準串行外設(shè)接口的獨立控制器。它為了實現(xiàn)對傳入數(shù)據(jù)包的限制采取了多種包過濾機制；為了實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算，還具備一個內(nèi)部DMA(直接存儲器訪問)；其與主控制器STM32F4系列的通信數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s，通過兩個中斷引腳和串行外圍接口SPI實現(xiàn)。其典型應用電路(圖2)中，主控制器和ENC28J60之間的通信靠SPI接口完成，ENC28J60雙端口由控制寄存器來控制，數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送通過RAM緩沖器完成，而判優(yōu)器則用于對RAM的控制，總線接口解析由SPI接收的數(shù)據(jù)和命令，MAC中間層模塊可實現(xiàn)IEEE 802.3標準，PHY模塊負責編譯雙絞線上的模擬數(shù)據(jù)。

圖2　ENC28J60 典型應用電路

當具備ENC28J60、以太網(wǎng)隔離變壓器等元件時，就可以通過單片機進行以太網(wǎng)通信。內(nèi)部集成了穩(wěn)壓器的ENC28J60需要在VCAP引腳與地之間接上一個10uF電解電容才能夠穩(wěn)定工作，因為內(nèi)部穩(wěn)壓器不能驅(qū)動外部負載，所以電源管腳要外接一個3.3v電源，同時在靠近GND的位置外加一個0.1uF的磁片電容。

在該設(shè)計的應用電路(圖3)中，ENC28J60芯片采用25MHZ晶振，運用LED實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的指示功能，圖中的NET_MISO通過主機輸入、從機輸出；NET_MOSI通過主機輸出、從機輸入；NET_SCK是時鐘信號，由主控芯片產(chǎn)生；NET_CS 是從器件使能信號，由主控芯片控制；NET_RST指的是從機芯片復位信號，由主控制器發(fā)送，這五個管腳同主控制器相連。ENC28J60網(wǎng)絡控制器與主控制器的通信采用SPI方式，為了實現(xiàn)外網(wǎng)與內(nèi)部電路的電氣隔離需要將網(wǎng)絡控制器和隔離變壓器 HR911105A連接，隔離變壓器接在以太網(wǎng)接口RJ45上，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡導通。隔離變壓器HR911105A和RJ45網(wǎng)口的外圍電路電路如圖4所示。

圖3　ENC28J60以太網(wǎng)控制器外圍電路

圖4　RJ45網(wǎng)口外圍電路

(二)模塊通訊協(xié)議移植

由于資源和處理能力有限，單片機在嵌入式處理器中等級較低。第一，它的ROM和RAM都小于64K。第二，它的CPU頻率不高，執(zhí)行指令的速度不快，所以網(wǎng)絡傳輸速度很低。由于這些問題的存在，大而全的TCP/IP協(xié)議棧就不能在單片機上運行，而是采用精簡的嵌入式協(xié)議棧。

本設(shè)計采用的是uIP通訊協(xié)議棧，uIP協(xié)議棧是傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議的精簡版，只保留了不可缺少的網(wǎng)絡通信協(xié)議，而去除了多余部分，使通信協(xié)議精簡。為了使代碼通用性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好，注重IP/TCP/ICMP/UDP/ARP等網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議。它的源代碼由C語言編寫，并完全開源，本次移植的版本是uIP1.0最新版本。uIP代碼庫通過一系列的函數(shù)實現(xiàn)與底層硬件和高層應用程序的通信，對于整個系統(tǒng)來說它的內(nèi)部是開源透明的，使協(xié)議的通用性增強。系統(tǒng)提供兩個函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用。分別是uip_input和uip_periodic函數(shù)，通過uip_appcall函數(shù)與應用程序進行聯(lián)系。其關(guān)系如圖5所示。

uIP協(xié)議的移植過程：1)實現(xiàn)與應用程序接口函數(shù)uip_appcall的編寫。需要根據(jù)自己的需要在函數(shù)中做各種處理并且指出這些處理的觸發(fā)條件。2)調(diào)用初始化換網(wǎng)卡，配置網(wǎng)卡MAC地址，為uIP和網(wǎng)絡通信做好準備。3)初始化uIP協(xié)議棧。在已經(jīng)定義的代碼庫里直接調(diào)用。4)設(shè)置IP地址、網(wǎng)關(guān)以及掩碼。這些設(shè)置在uip函數(shù)庫中可以實現(xiàn)。5)設(shè)置上位機監(jiān)聽端口。當端口有數(shù)據(jù)輸入時，對應的uip_appcall函數(shù)會做出相應的響應。6)處理uIP事件，uIP進行輪詢監(jiān)聽處理，每隔一段時間由主函數(shù)調(diào)用一次，等待事件的發(fā)生。

圖5　uip協(xié)議棧在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能

三、uCOS-II內(nèi)核的移植實現(xiàn)

(一)任務層的設(shè)計

uCOS-II 是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的硬實時(Hard Real Time)多任務內(nèi)核。它是一個完整的基于優(yōu)先級搶占式實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)，并且可以實現(xiàn)移植、固化、裁剪。它具有任務管理、時間管理、實時內(nèi)核、任務同步通訊和內(nèi)存管理等特點。經(jīng)過行業(yè)企業(yè)的實踐認證該系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性強。在軟件設(shè)計中采取三層結(jié)構(gòu)(圖6)，由外到內(nèi)分別是硬件層、任務層、操作系統(tǒng)層，這樣可以進一步提升系統(tǒng)的研發(fā)效率、可靠性和可移植性。

圖6　軟件架構(gòu)圖

任務層主要有通訊、激光器功率調(diào)節(jié)、掃描振鏡定位、數(shù)據(jù)存儲等四個任務。這是根據(jù)系統(tǒng)的主要功能和硬件結(jié)構(gòu)來確定的，每個任務分為三部分：應用程序、任務堆棧和任務控制模塊。任務堆棧是存儲CPU寄存器內(nèi)容的模塊，任務由非運行狀態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài),就把對應任務堆棧內(nèi)容置入CPU寄存器，相反就把CPU寄存器內(nèi)容壓入對應的任務堆棧。任務的狀態(tài)機用來記錄實時任務的運行情況，有新任務要執(zhí)行時，可根據(jù)狀態(tài)機查詢實時情況，來決定接下來的操作。操作系統(tǒng)也可以通過狀態(tài)機來了解當前任務的執(zhí)行情況。

這四個任務優(yōu)先級不同，是按照系統(tǒng)自身的性質(zhì)和對實時性要求決定的。

1.掃描振鏡定位任務。掃描振鏡定位任務需要實時地獲取上位機傳送過來的圖形點陣數(shù)據(jù)，并根據(jù)CPU中的算法確定初始位置的坐標，某個方向運動持續(xù)的時間，運動轉(zhuǎn)向的偏移角度等數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)對兩個反射鏡的角度進行調(diào)整。因為掃描振鏡的內(nèi)部是用一個精密步進電機控制，所以處理器進行相應的脈沖輸出即可控制反射鏡面的偏轉(zhuǎn)角度。這個任務模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，需要保證與上位機的信息保持同步，因此具有最高的優(yōu)先級。

2.通訊任務。通訊任務是接收人機交互軟件對圖形進行點陣處理后的數(shù)據(jù)信息，并且把信息存儲到緩存器中，不斷地進行數(shù)據(jù)的接收、存儲、反饋等操作，因此也需要保證較高的優(yōu)先級。

3.激光器功率調(diào)節(jié)任務。激光功率調(diào)節(jié)任務指的是在實際生產(chǎn)加工中，可能需要對激光器的功率進行變化。根據(jù)激光器半導體的發(fā)光特性，光輸出功率隨著驅(qū)動電流的增大而迅速增加并基本呈線性關(guān)系的特性，可以對控制器的輸出電流進行調(diào)節(jié)改變驅(qū)動模塊的輸入電流。

4.數(shù)據(jù)存儲任務。該任務的功能是記錄加工元件的數(shù)目，存儲每個加工元件的點陣信息，將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)存儲到FLASH芯片中。

(二)軟件設(shè)計

運行系統(tǒng)需先進行系統(tǒng)初始化操作，包括對所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化，重新分配堆棧。然后，建立通信通道、建立任務、分配預先級。準備工作完成，系統(tǒng)開始按照優(yōu)先級順序執(zhí)行任務。分為開始、通訊、激光器功率調(diào)節(jié)、掃描振鏡定位、數(shù)據(jù)存儲等。開始包括創(chuàng)建信號量、創(chuàng)建郵箱、初始化統(tǒng)計任務以及建立其他任務，之后處于掛起的狀態(tài)，然后系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級的不同執(zhí)行相應的任務。主流程圖如圖7所示。

通過修改和處理器相關(guān)的部分代碼即可將uCOS-II系統(tǒng)移植到微處理器中，這些代碼主要包含在三個文件中，因此需要完成以下工作：1)修改OS_CPU.H文件。2)修改OS_CPU_C.C文件。3)修改OS_CPU_A.S文件

圖7　主流程圖

四、應用實例與結(jié)論

在實際應用中，將本次設(shè)計的控制器安裝在一臺燈泵浦固體激光標刻機上。該型激光器波長較短(1.064μm)，能夠在金屬材料上進行高清晰度標刻，最小線寬 0.02mm，重復精度±0.005mm，該型激光器各項具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

技術(shù)參數(shù)數(shù)值激光功率范圍0-50W激光波長1064nm激光重復頻率≤50KHZ標刻范圍Φ70mm、Φ100mm、Φ150mm、Φ220mm(可選)標刻深度≤0.3mm(可選)打標線速≤7000mm/s最小線寬0.02mm最小字符0.3mm重復精度±0.05mm電力需求220V/50HZ/4.5KW

表1激光標刻機技術(shù)參數(shù)表

選用常見的金屬銘片作為標刻材料，設(shè)置標刻速度為2000mm/s，激光的重復頻率為5KHZ，其他各項機械參數(shù)和光學校正參數(shù)均調(diào)整到正常操作范圍，啟動激光標刻機。通過對上位機軟件進行圖形輸入，最終可得到實際標刻效果(圖8)。

將實驗結(jié)果放在高倍數(shù)字顯微鏡下觀察，可以看到標刻獲得的痕跡平整、流暢、清晰而且分布情況比較均勻，沒有出現(xiàn)燒點、壞點等情況，在起點、終點、拐角點等處均沒有出現(xiàn)輪廓失真現(xiàn)象。

圖8　激光標刻實際效果圖

對于執(zhí)行效率而言，正如上文預期所述，當用戶發(fā)出標刻命令的時候，標刻機能夠即刻開始工作，不需要等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換全部完成之后才運行，這樣能夠保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出同步工作，縮短了標刻作業(yè)的時間，大大提高了實際生產(chǎn)的工作效率。

五、結(jié)語

采用STM32F407VGT6這種嵌入式芯片設(shè)計的控制器系統(tǒng)，將工業(yè)網(wǎng)絡服務引入到激光標刻控制中，由板載操作系統(tǒng)uCOS-II來分配實時控制任務，在實時性和準確性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)PLC的順序控制方式。同時因其制作成本低廉，具有靈活性與通用性，大大提高了激光標刻控制系統(tǒng)的性能，在實際生產(chǎn)中，具有一定的指導意義和廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[4]任哲編著.嵌入式實時操作系統(tǒng)uCOS-II原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

A Design of Laser Marking System based on Embedded Ethernet Communication

KONG Qing-fang

(TianjinModernVocationalTechnologyCollege，Tianjin300350)

Abstract:As a control ship of ethernet communication, ENC28J60 transplant uIP protocol stack into ethernet communication to realize the real-time reception and disposal of data transferred by upper computer. At the same time, the multi-task switch automatically and operate incessantly under the dispatch of system to meet the requirements of real-time and accuracy in laser processing. Through testing the actual processing, it turns out that the processing precision of the system is high and the reliability and implementation is strong. Thus, it can satisfy various technical indicators of laser marking and it runs stably and well.

Key words:Laser Marking; Embedded Controller; Ethernet; Protocol Stack; Real-time Operating System

中圖分類號：TP309

文獻標識碼：A

文章編號：1673-582X(2016)03-0101-07

作者簡介：孔慶芳(1983-)，女，河北省張家口人，天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學院，講師，研究生，主要從事通信與電子專業(yè)的教學與研究工作。

收稿日期：2015-12-15