孫曉雷 許普樂 賈冕茜

嵌入式激光雕刻機(jī)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫曉雷 許普樂 賈冕茜

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院光機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽蕪湖，241002）

隨著激光加工應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，激光雕刻機(jī)在非金屬材料方面的需求增多。為了實(shí)現(xiàn)激光雕刻機(jī)的遠(yuǎn)距離控制和數(shù)據(jù)傳輸，必須提高加工數(shù)據(jù)變更效率。使用以太網(wǎng)控制和交換芯片實(shí)現(xiàn)硬件電路，控制器通過SPI通信控制以太網(wǎng)接口，有助于改善激光雕刻機(jī)的通信距離。

激光雕刻；以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)通信；W5500

1 引言

借助計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，激光雕刻技術(shù)的計(jì)算速度越來越快，應(yīng)用場(chǎng)景也越來越廣泛[1,2]。雕刻數(shù)據(jù)一般通過USB接口連接上位機(jī)、SD卡直接插入或WIFI通信的方式導(dǎo)入，圖像界面操作的應(yīng)用提高了使用效率[3]。這些通信均需要近距離實(shí)現(xiàn)，而以太網(wǎng)通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)雕刻數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，在不考慮數(shù)據(jù)傳輸距離的條件下解決數(shù)據(jù)的接收轉(zhuǎn)換。

2 原理方案

網(wǎng)絡(luò)激光雕刻機(jī)由STM32控制器、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)通信模塊組成，框圖如圖1所示。STM32控制器包括位置電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路、通信接口電路和人機(jī)交互等功能電路，其中通信接口包括USB接口與網(wǎng)絡(luò)接口。

圖1 網(wǎng)絡(luò)激光雕刻機(jī)系統(tǒng)框圖

2.1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

激光雕刻機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸速率要求不高，采用專用的網(wǎng)絡(luò)通信芯片W5500。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議獨(dú)立于系統(tǒng)處理器之外，使用簡單方便，故網(wǎng)絡(luò)控制電路選用以太網(wǎng)控制器芯片W5500。芯片集成了全硬件TCP/IP協(xié)議棧、介質(zhì)傳輸層（MAC）與物理層（PHY），內(nèi)嵌32K字節(jié)緩存，節(jié)約控制器內(nèi)部ROM[4,5]，通過網(wǎng)絡(luò)喚醒模式和掉電模式可以現(xiàn)實(shí)低能耗。在設(shè)計(jì)通信控制系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員使用SPI協(xié)議與控制器STM32通信，通過Socket編程實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用。連接引腳MOSI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從主機(jī)到從機(jī)的輸出，引腳MISO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從從機(jī)到主機(jī)的輸出，引腳SCLK是主機(jī)與從機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，片選引腳SCSn實(shí)現(xiàn)從機(jī)的選擇，重置引腳RSTn實(shí)現(xiàn)從機(jī)的重啟和中斷輸出，引腳INTn用于產(chǎn)生中斷，這些引腳共同實(shí)現(xiàn)了W5500的SPI通信與控制。

數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)序也有一定的要求，時(shí)序如圖2所示，片選信號(hào)①拉低至少5 ns，數(shù)據(jù)才可以被讀取。從機(jī)數(shù)據(jù)接收期間，數(shù)據(jù)變更②和維持③均應(yīng)不少于3 ns?？刂茢?shù)據(jù)讀取的時(shí)鐘信號(hào)的高低電平維持時(shí)間④與⑤不低于6 ns。從機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，輸出數(shù)據(jù)的有效時(shí)間⑥最大達(dá)到5 ns。數(shù)據(jù)讀取結(jié)束5 ns（⑦）以后，數(shù)據(jù)傳輸才可結(jié)束。傳輸結(jié)束時(shí)，片選信號(hào)應(yīng)保持高電平30 ns（⑧）以上。在片選信號(hào)進(jìn)入高電平2.1 ns（⑨）的時(shí)間內(nèi)，W5500輸出引腳即進(jìn)入高阻狀態(tài)。

圖2 W5500 SPI通信控制時(shí)序

在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信后，為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的交換功能，我們使用了轉(zhuǎn)換控制器IP175G。它具有5個(gè)以太網(wǎng)收發(fā)器，支持IEEE 802.3az電源管理工具，具有低功耗、支持按鍵啟停等功能，無需拔插電源適配器，可以自動(dòng)測(cè)試以節(jié)約測(cè)試成本[6]。

2.2 硬件電路與軟件的實(shí)現(xiàn)

在激光雕刻機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信電路中，STM32控制器通過串口SPI連接網(wǎng)絡(luò)控制器W5500，再連接網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器IP175G，硬件電路原理圖如圖3所示。W5500芯片通過網(wǎng)絡(luò)接口TXN、TXP、RXN及RXP與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器IP175G的RXIP0、RXIM0、TXOM0及TXIP0端口連接，實(shí)現(xiàn)TP收發(fā)。通過IP175G芯片的其他網(wǎng)絡(luò)端口可以實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)的連接，如激光雕刻機(jī)使用的2路網(wǎng)絡(luò)端口。IP175G的端口1和2的相應(yīng)引腳——TXOM、TXOP、RXIM及RXIP，通過外部隔離變壓器D20601與外部進(jìn)行通信。

圖3 硬件電路圖

通過包含地址段、控制段及數(shù)據(jù)段的SPI數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)從高位到低位進(jìn)行傳輸。地址段提供16位偏移地址，控制段定義地址段的偏移區(qū)域并規(guī)定讀/寫操作模式和SPI的工作模式。網(wǎng)絡(luò)控制器W5500的網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)置完成后，網(wǎng)絡(luò)傳輸即可實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)試

最終激光雕刻機(jī)的樣機(jī)如圖4（a）所示，圖4（b）為樣機(jī)所用電路板網(wǎng)絡(luò)功能正、反面圖形，圖4（c）為激光雕刻機(jī)打印的產(chǎn)品。激光雕刻機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，在完成正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的交換功能，在控制多臺(tái)設(shè)備時(shí)可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)連接成本，提高工作效率。

圖4 硬件電路圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)控制器W5500和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換控制器IP175G來實(shí)現(xiàn)激光雕刻機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信和交換功能。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)為激光雕刻機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)距離控制提供了可能，其交換功能的實(shí)現(xiàn)也降低了多臺(tái)設(shè)備連接的成本，提高了批量更換加工數(shù)據(jù)的效率。

[1] 喬?hào)|凱,張子杰,李國樂,等. 3D打印激光雕刻CNC雕刻一體化設(shè)備設(shè)計(jì)[J]. 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2019,29(4):45-48.

[2] 鄭曉,王君,汪泉,等. 一種基于Delta機(jī)器人的激光雕刻機(jī)[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2017(12):78-81,124.

[3] 許盧偉,鄧昌奇,鄭俊泰,等. 激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J]. 廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2017,27(1):45-47,50.

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[5] 沈翔. 基于硬件TCP/IP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2019,9(10):35-37.

[6] 高林林. 基于物聯(lián)網(wǎng)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2016.

Design of the Network System for Embedded Laser Engraving Machines

SUN Xiaolei & XU Pule & JIA Mianqian

As the application of laser processing is spreading, the demand for laser engraving machines in the field of non-metallic materials is increasing. In order to achieve remote control and data transmission of laser engraving machines, it is necessary to improve the changing efficiency of processing data. Usage of Ethernet control and switch chips helps to realize the hardware circuit. The controller controls the Ethernet interface through SPI communication, which is conducive to improving the communication distance of laser-engraving machines.

laser engraving; Ethernet; network communication; W5500

TN919

A

1009-1114（2020）03-0037-03

2020-05-29

孫曉雷（1975—），安徽蕪湖人，碩士，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院副院長、教授、碩士生導(dǎo)師。

研究項(xiàng)目：蕪湖市重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“消費(fèi)級(jí)激光雕刻與 CNC 一體機(jī)研發(fā)（2018yf61）”。

文稿責(zé)編 鄧延安