韓竺秦+陳少煌+陳偉鋒+黃爽+周展鑫+蔡佳玲

摘要：隨著激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，激光打標(biāo)機(jī)憑其無接觸、無切割力、速度快等優(yōu)點(diǎn)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的打標(biāo)技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用，能滿足用戶對產(chǎn)品精度及美觀的需求。設(shè)計(jì)利用PC上位機(jī)解讀圖像，通過串口與下位機(jī)Cortex-M4 K60通訊，控制XY軸的步進(jìn)電機(jī)以及LD-E405G68激光頭的運(yùn)動軌跡進(jìn)行打標(biāo)。綜合了激光技術(shù)、嵌入式和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，激光打標(biāo)能在多種物體表面上，刻出字符、圖案，精度可以在微米量級內(nèi)調(diào)整。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的激光標(biāo)記。

關(guān)鍵詞：激光打標(biāo)機(jī)； K60；計(jì)算機(jī)控制技術(shù)；嵌入式

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：16727800（2017）004012403

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)和激光加工技術(shù)的發(fā)展，激光加工技術(shù)已經(jīng)在人們生活中得到廣泛應(yīng)用。我國激光技術(shù)起步晚，傳統(tǒng)的噴碼技術(shù)是標(biāo)識技術(shù)的一種，相比機(jī)械壓痕、印刷、化學(xué)腐蝕等標(biāo)識技術(shù)，噴碼技術(shù)具有不接觸產(chǎn)品，表示內(nèi)容豐富，可以和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合進(jìn)行復(fù)雜內(nèi)容噴印等優(yōu)點(diǎn)[2]。噴碼技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于日化產(chǎn)品、食品、建材產(chǎn)品、電子產(chǎn)品等行業(yè)。在國內(nèi)外，噴碼技術(shù)應(yīng)用一直保持著較高增長率，并且具有非常好的發(fā)展前景。隨著噴碼技術(shù)的改進(jìn)與新的噴碼技術(shù)不斷出現(xiàn)，噴碼機(jī)的種類在不斷增加，性能也在逐漸提高。按照所用耗材的不同，噴碼機(jī)可分為油墨噴碼機(jī)和非油墨噴碼機(jī)，即激光打標(biāo)機(jī)[1]。

1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1工作原理

通過JAVA上位機(jī)解碼BMP圖像，獲取對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)以及其灰度值等信息并發(fā)送給單片機(jī)，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動激光頭運(yùn)動，X軸每走一步對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行灼燒打標(biāo)，直到行打標(biāo)完畢X軸步進(jìn)電機(jī)帶動激光頭返回行原點(diǎn)，然后Y軸前進(jìn)一步；循環(huán)下去一直到圖像數(shù)據(jù)結(jié)束。

1.2系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

通過對現(xiàn)有激光打標(biāo)機(jī)開發(fā)的調(diào)研，針對本項(xiàng)目嵌入式控制系統(tǒng)特點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下條件：（1）人機(jī)界面交互。利用Java開發(fā)的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，控制打標(biāo)的各種功能。（2）高精度步進(jìn)電機(jī)及XY兩軸運(yùn)動支架。提供XY兩軸機(jī)械運(yùn)動基礎(chǔ)。（3）上、下位機(jī)通訊。利用串口通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。（4）處理器頻率達(dá)到100M以上，F(xiàn)lash存儲512K以上，用作圖片數(shù)據(jù)緩存?；谝陨蠗l件，設(shè)計(jì)出以XY兩軸運(yùn)動的掃描式激光打標(biāo)控制系統(tǒng)工作原理，如圖1所示。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件選擇主要包括處理器及外圍擴(kuò)展接口。硬件平臺包括控制芯片、電路元件、步進(jìn)電機(jī)、激光頭等。激光頭選型在本設(shè)計(jì)中尤其重要，選擇合適的硬件可以簡化電路從而簡化電路原理圖，并且在實(shí)行控制方面能簡化程序，特別是復(fù)雜的步進(jìn)電機(jī)控制時(shí)序。

2.1控制芯片

飛思卡爾Cortex-M4 K60是一款32位ARM芯片，512KB的Program flash，128KB的SRAM適合打標(biāo)圖票數(shù)據(jù)緩存，100M穩(wěn)定高速運(yùn)行頻率，適合嵌入式系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。內(nèi)置多個(gè)串口接口，適合應(yīng)用多種上下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸與調(diào)試。Cortex-M4 K60結(jié)合IAR開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)方便、快速開發(fā)。綜合需求，選擇MK60DN512ZVLQ10芯片。

2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊

A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的 DMOS 微步驅(qū)動器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動機(jī)，輸出驅(qū)動性能可達(dá)35V±2，A4988 包括一個(gè)固定關(guān)斷時(shí)間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。 轉(zhuǎn)換器是 A4988 易于實(shí)施的關(guān)鍵。只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生微步。無需進(jìn)行相位順序表、高頻率控制行或復(fù)雜的界面編程。A4988 界面非常適合復(fù)雜的微處理器不可用或過載的應(yīng)用。

2.3激光頭驅(qū)動： L298N

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A。本設(shè)計(jì)采用L298N模塊，該模塊除了驅(qū)動能力之外，本身集成了5V穩(wěn)壓功能。在設(shè)計(jì)中，只要以12V電源輸入，在驅(qū)動激光頭的同時(shí)以穩(wěn)壓5V電壓給控制電路供電。

2.4硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件部分可以分為4個(gè)模塊：控制器、驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)、激光頭。 控制器K60芯片只要提供供電路便能完成工作。本文只介紹A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，如圖2所示。 根據(jù)A4988步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊說明書，MS1、MS2 、MS3組合控制步進(jìn)電機(jī)步距角。MS2、MS3接低電平，MS1接開關(guān)。當(dāng)MS1清位，MS1 、MS2、MS3為000，步距角為1.8°；當(dāng)MS1置位，MS1 、MS2、MS3為100，步距角為0.9°。兩種步距腳的精度利用開關(guān)選擇，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上位機(jī)對BMP圖片解碼，提取圖片信息；下位機(jī)接收指令、圖片信息完成打標(biāo)[3]。

3.1JAVA上位機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用Netbean開發(fā)環(huán)境開發(fā)JAVA上位機(jī)，主要功能為：讀取BMP圖片、與下位機(jī)Cortex-M4 K60進(jìn)行通訊，傳輸圖像數(shù)據(jù)以及設(shè)定參數(shù)。軟件界面如圖3所示。

3.2BMP圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

讀取BMP圖像的數(shù)據(jù)，必須對BMP圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解讀利用。 BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數(shù)據(jù)4部分組成。以下舉例BMP文件頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息，其結(jié)構(gòu)定義如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {WORDbf Type； // 位圖文件的類型，必須為BMP（0～1字節(jié)） DWORD bfSize； // 位圖文件的大小，以字節(jié)為單位（2～5字節(jié)） WORD bfReserved1； // 位圖文件保留字，必須為0（6～7字節(jié)） WORD bfReserved2； // 位圖文件保留字，必須為0（8～9字節(jié)） DWORD bfOffBits； // 位圖數(shù)據(jù)的起始位置，以相對于位圖（10～13字節(jié)） } BITMAPFILEHEADER； 本設(shè)計(jì)主要提取BMP圖像的寬度、文件頭的偏移量數(shù)據(jù)，其它復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息可以不作處理，程序上，利用數(shù)組保存寬度、偏移量數(shù)據(jù)[34]。int x1=data[18].x2=data[19]，d1=data[10]，d2=data[11] 從偏移量所在的地址開始逐行讀取圖片數(shù)據(jù)，有了BMP圖像數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)。

3.3下位機(jī)

Cortex-M4 K60為32位處理器，本設(shè)計(jì)采用MK60DN512ZVLQ10，標(biāo)準(zhǔn)頻率可達(dá)100M，512K flash，128K RAM。該處理器自帶4個(gè)串口，用來傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)也方便查看數(shù)據(jù)[5]；引腳豐富，滿足控制需求；在大內(nèi)存條件下，能定義一個(gè)10 240長度的數(shù)組來存儲圖像數(shù)據(jù)，滿足一般圖像寬度長度。

3.3.1數(shù)據(jù)接收 對應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸格式，下位機(jī)根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收。如圖4所示。

3.3.2創(chuàng)建任務(wù) 本設(shè)計(jì)利用μCOS嵌入式系統(tǒng)，有效地管理M4 K60的內(nèi)存分配、任務(wù)調(diào)度、管理中斷，使上下位機(jī)通訊穩(wěn)定，圖片數(shù)據(jù)保存準(zhǔn)確。 μCOS嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用在于調(diào)用系統(tǒng)的庫函數(shù)，最簡單的應(yīng)用可以是調(diào)用任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，在任務(wù)內(nèi)編寫所需程序，如圖5所示。

調(diào)用OSTaskCreateExt函數(shù)，把各個(gè)程序部分創(chuàng)建為各個(gè)任務(wù)，在任務(wù)中運(yùn)行各部分程序，再利用其它函數(shù)來協(xié)調(diào)配合[6]。

3.3.3打標(biāo) 當(dāng)上位機(jī)提取到圖像的寬度后，X軸步進(jìn)電機(jī)打標(biāo)一行的步數(shù)就確定下來，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動激光頭進(jìn)行行運(yùn)動，X軸每走一步激光頭對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行灼燒打標(biāo)，這里灼燒的時(shí)間，與BMP圖上的像素點(diǎn)對應(yīng)的灰度值成正比。簡單來說，點(diǎn)越黑，燒得越久，直到行打標(biāo)完畢，X軸步進(jìn)電機(jī)帶動激光頭返回行原點(diǎn)，然后Y軸前進(jìn)一步；循環(huán)下去一直到圖像數(shù)據(jù)結(jié)束，該部分程序由以下方式實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

4結(jié)語

本文提出了基于 STM32 的激光打標(biāo)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。通過分析激光打標(biāo)機(jī)功能需求，選擇CortexM4 K60 作為主控芯片，對于光路控制，選取高精度、抗干擾能力強(qiáng)的系統(tǒng)，而激光器則選擇高穩(wěn)定性的脈沖光纖激光器。根據(jù)系統(tǒng)方案，完成了激光打標(biāo)機(jī)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括最小系統(tǒng)及其外圍電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)、激光器接口電路設(shè)計(jì)等。所使用的校正方法是在已有研究的基礎(chǔ)上，直接對理論打標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，從而得到新的打標(biāo)值，而不需要對中間量偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行幾次轉(zhuǎn)換，降低了計(jì)算復(fù)雜度。

參考文獻(xiàn)：[1]閆偉強(qiáng).基于ARM+FPGA的激光打標(biāo)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

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[5]周洪瑩.激光標(biāo)記二維條碼在皮革上的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[6]楊杰.激光打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2014.

（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）