光电传感器的关键部分为光敏元件，本系统中要求
光敏元件灵敏度高，线性度好，暗电流及噪声小。常 见的半导体光敏元件有光电管、光电倍增管、光敏电 阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。
本设计选用光电二极管。
光电传感器由发光二极管和光敏二极管组成。发光二 极管在工件的一侧发出经调制的红外光，工件的另一侧由 光敏二极管接收，，光敏二极管在加反向电压VCC时，反 向电流（光电流）与光照强度成正比，即光电流ID是光通 量的函数G(Φ)，而光通量Φ为小孔直径D的函数F(D)， 所以光生电流为小孔直径D的函数；光生电流再由检波电 路放大(系数K)及滤波处理可得到输出电压值U（D）。其 数学函数传递关系如下：
AS配置模式
AS配置模式的电路图：
JTAG配置模式
JTAG配置模式电路图：
实时能量控制系统中FPGA各个功 能模块单元的实现
1、寄存器单元模块的设计 2、计数单元模块的设计 3、占空比可调的PWM波输出模块的设计
占空比可调的PWM波输出模块的设计
1、所实现的PWM的频率范围在100HZ到20KHZ， 占空比是在0至100％之间连续可调的。
原理图； HDL文本
综合
FPGA 适配
功能仿真 时序仿真
FPGA 编 程下载
在线测试
FPGA芯片的配置
三种配置模式： 1、AS配置模式； 2、JTAG配置模式； 3、PS配置模式；
对三种配置模式的选择是通过对FPGA芯片 上的MSEL引脚的高低电平来实现。我们选择 前面两种配置模式，即AS配置模式和JTAG配 置模式，将MSEL的引脚接为低电平即可。
基于DSP和FPGA的激光加工控制系统研究
课题的研究内容
1、分析DSP和FPGA的内部结构和工作机理。 将两者相结合的控制技术运用到激光加工系 统中，实现了高精度、高速的控制输出。
2、利用FPGA的现场可编程逻辑特性，实现占 空比和频率均可调的PWM波输出。
3、开发基于DSP和FPGA的CNC系统。利用 FPGA实现了轨迹规划中的精插补功能。
扩展存储器
电源模块
上
位 机
C P
USB接口电路
DSP F2812 核 心处理芯片
JTAG 下 载 接 口电路
U
JTAG 下 载 接 口电路
FPGA 译 码 、 精插补、脉冲 输出电路
步进电机
DSP在控制系统中的功能
1、负责于上位机通信。
2、对图形数据进行读取和存储。
3、对图形数据进行必要的运算和处理，生成符 合FPGA所需要的加工数据。
此面积可以看作是许多长方形的小面积 之和。则以上公式可以变为：
积分器模块
如果取△t ＝ 1 则公式变为：
数字积分原理
积分用求和运算代替：
数字积分器原理图
数字积分器的改进－数控振荡器 （NCO）
由于通过数字积分器发出的脉冲不是连续 的，因此必须对其进行改进，使最后输出的脉 冲在一定的时间段内是等间隔的即是均匀的。 数控振荡器可以完成这部分工作。
电脉冲盘式传感器即光电编码器，它可以将位移偏 转量变为电脉冲，然后通过一定的方法对电脉冲进 行截取计数，最后得到数字输出量输出到控制卡或 计算机。
如图所示，在转动圆盘边缘上等角距地开一些孔，光源发 出的光经圆盘的孔透过，被光电元件接收。当盘转动时， 光源发出的光经圆盘遮挡交替地照射到光电元件上，经放 大整形后得到脉冲序列输出。计数电路记录脉冲个数，就 可测得转角大小，由连接轴直径即可换算为位移偏移量。
系统时钟 Cly_sys
清零 累加
器
32位累加器
Fcn频率控制
溢出脉冲输出
进给脉冲输出模块
• 正负脉冲输出
OUT则输出正向上的脉冲，DIR输出负向上的脉冲
• 脉冲 + 方向输出
OUT将输出脉冲，而DIR则输出方向信号，其为高 电平时则正向输出，为低电平时负向输出
高速、高精度CNC系统PCB图
命令缓冲器
• 启动模式 • 控制模式 • 输出模式
输出模式 控制模式 启动模式
D23 ~ D16 D15 ~ D8 D7 ~ D0
译码单元模块的设计
FPGA的一个常用的功能就是对DSP的地址信号进行译码产生 相应的片选信号。下图是通过FPGA实现DSP对AD669的读写控制。
译码单元模块的设计
占空比可调的PWM波输出模块的PCB
基于DSP和FPGA的CNC高速精确 轨迹规划
1、参数接受模块的设计 2、译码单元模块的设计 3、加、减速控制模块的设计 4、时钟发生器模块的设计 5、脉冲计数模块的设计 6、积分模块的设计 7、进给脉冲输出模块的设计
参数接收模块的设计
参数接收模块的实现主要是通过多个寄存器、命令缓冲器、状 态缓冲器和片选信号来实现的。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速 旋转。光源发出的光经光盘遮挡后交替的照射到光敏元件上，由光 敏元件产生的电信号经放大整形电路处理后得到脉冲序列输出。最 后由外围的计数电路记录产生的脉冲个数，就可以测得码盘的转角 大小，最后由转轴直径即可以换算为加工工件的位移量，从而可以 计算出加工工件的速度。
F
针对香烟水松纸激光打孔，设计一种在高速打孔 过程中对水松纸的透气度进行在线检测的一种装置。 该装置是利用光电传感器原理，检测透过某一面积光 通量，由光敏元件转变为电信号，再对电信号进行放 大、检波及滤波处理，送数据采集系统采集并动态显 示。
由于该检测的特殊性，市场上没有适合的成品光电 传感器，传感器由自行设计。
激光打孔的透气度的在线检测
在激光打孔的应用中，许多情况下要求对材料加工出高
密度的微小孔，目的就是为了增加材料的透气度，如对香 烟水松纸、膏药等薄型材料打孔。 香烟水松纸是用于包扎香烟过滤嘴，其宽度58mm左右， 即两根过滤嘴的宽度。在现代的香烟商业中，通常在包扎 过滤嘴前，在靠近水松纸条的两边缘利用激光各打出两排 小孔带，打孔的目的就是为了增加过滤嘴的透气度，减小 吸烟的危害。所打孔的孔径小于0.1mm，孔距在0.3-3mm 内可调，打孔时走纸速度能达到150m/min。按孔距1mm， 每秒钟单排打孔数在2500个左右，对每个小孔的质量及时 检测是不太可能的，也不是目的所在，所关心的是水松纸 打孔后的透气度的大小及均匀性问题。
设计中用两路信号进行差分比较，可以消除由于红外光穿 透工件产生的干扰及其它共模噪声。
激光飞动标刻
飞动标刻是指在被标刻材料连续运动（匀速或 变速）时，激光光束跟随材料运动同步移动的 标刻技术。
为了实时获取标刻位置和达到飞动标刻效果， 必须能够实时、精确获得材料运动产生的位移 量和方向。
为了能够直接获得数字信号输出，一般采用光
4、利用FPGA的可编程逻辑特性实现了占空比和 频率均可调的PWM波，实现了加工中的能量 实时控制。
FPGA开发工具
1、DXP2004 用于制作印制电路板 2、Quartus 5.0 用于生成FPGA所需的配置
文件 3、Modelsim5.8 用于对所实现的FPGA进
行仿真和验证。
FPGA开发流程
通过FPGA产生的片选信号的时序仿真图：
加、减速控制模块
加、减速控制模块的设计和研究是运 动的核心。一个完整的直线运动过程可 分为加速、匀速、减速过程。速度变化 曲线如下：
加、减速控制模块
加、减速控制模块的 = f(t) 的积分运算就是求此函数曲 线包围的面积S:
4、与FPGA进行通信、实现数据的传输，提供加 工数据。
FPGA在激光加工控制系统中的功能
1、与DSP的连接，即与DSP基于双端口RAM的 通信，实现DSP与其的数据传输。
2、对DSP的接口进行扩展。由于DSP的I/O口的 数量是有限的，所以必须利用FPGA对其进行 相应的接口扩展。
3、将DSP所处理的图形数据进行精插补，最后以 脉冲的形式输出，控制步进电机的动作。即实 现精确的轨迹规划功能。
4、在以FPGA为核心的精插补运算中，可以实现一次、 两次甚至高次曲线插补，适合多坐标轴的联动控制。 其输出的脉冲更具均匀性，使电机的运动更具平稳性， 从而使加工的效果更好。
基于DSP和FPGA的运动控制技术的特点
1、高速的数值运算能力 2、高精度的运动控制能力 3、执行部件更具平稳性
运动控制系统结构框图
计算机上次获取的脉冲数值，x表示记数电路最大
记数值，L表示每脉冲代表的生产线位移长度。
通过上位机接口设置标刻所需的一些诸如激光功率、标刻速度等加工参数以及 激光开关光的控制指令，并发送给下面的DSP芯片，DSP接受到这些指令之后，将 这些参数和控制指令送给可编程逻辑器件（CPLD）；可编程逻辑器件则根据这些 参数和指令发出需要设置的输出激光功率、速度信息，并输出至振镜控制器；开 关光控制模块用于控制激光的关断与开启；D/A控制输出模块用于控制所标刻图 文的位置信息；而脉冲计数模块则用于计算由光电编码盘产生的脉冲数，可以实 现对光电编码盘输出的脉冲进行精确的计数，以实现对加工工件速度的精确的获 取。
寄存器包括: R1(用于记录当前位置)； R2(用于记录加速时速度的起始值或降速 的目标值）； R3(用于记录加速时速度的目标值或降速的 起始值)； R4(用于记录加速过程中的加速度值)； R5(用于记录降速过程中的加速度值)； R6(用于扩展功能)； R7(用于存储不同速度所对应的脉冲频率的分频系数)
在标刻过程中，光电编码盘用于实时探测标刻工件的速 度，探测所得信号经放大整形、CPLD计数后变为数字信号 反馈到DSP中；DSP将得到的速度信号进行处理并对加工参 数进行相应修正补偿，再及时输出至控制振镜控制器以确 保标刻效率。
当激光器在流水线上以一定加工参数工作的时候，DSP 会实时查询来自CPLD和光电编码盘获取的加工速度，并 将该速度数据与已经固化在ROM中的速度数据进行比较 ，如果发现偏差，便根据相应算法和此偏差速度数据对加 工速度进行修正，并将修正后的结果及时传送至CPLD器 件，最后再利用修正后的速度参数控制振镜控制器。在飞 动标刻中，缩短了参数数据传送的路径，降低了传输数据 带来的时间延迟，提高了激光加工的效率；同时，也解决 了加工工件运动所带来的标刻图文变形，实现了高质量的 标刻。