基于ARM Cortex M7内核的高速振镜控制系统

陈 军，罗维平



基于ARM Cortex M7内核的高速振镜控制系统

陈 军，罗维平*

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200）

激光加工技术日益成熟，其技术的核心难点在于其振镜控制系统的设计，目前业界在激光振镜控制部分还存在一些问题。本文针对目前存在的功耗大、精度低、电路复杂等问题，研究一种基于ARM Cortex M7内核和XY2-100协议的高速振镜控制系统，有效降低控制信号传输过程中的衰减，并对激光固有的几何畸变提出一种有效的优化补偿方案，通过制作DEMO板和试验验证了整个系统的运行稳定性，在速度、精度方面比业界现有控制系统更胜一筹，满足实际加工要求，可实现每秒2万多次振镜偏转，位置控制准确，本系统具有较大应用前景。

激光加工；振镜控制；畸变补偿；STM32；高速；低功耗

高速激光振镜是应用在激光加工行业的一种数字扫描振镜，其专业名词叫做高速扫描振镜。它是激光扫描技术应用最为广泛的一种扫描方式，主要是指振镜电机带动反射镜偏转，进而带动激光光束在扫描平面上移动，进行扫描，振镜电机采用X、Y两个电机控制，一个时刻确定一个点的位置，通过扫描频率控制不同时刻点的位置从而达到整个扫描图案的变换，扫描频率越低图案越明显，而振镜的控制是扫描成像的关键。传统振镜控制系统主要由PC机控制，其控制数据由软件产生，经过PC机中断送出，但由于PC机的非实时系统因素，可能造成扫描不均匀、偏转角精度低、功耗高等缺点，由此也会带来激光控制系统的几何畸变[1]，无法满足现代激光控制系统要求的高精度、小型化、低功耗等要求。

本文针对上述问题设计了一款高精度、低功耗、小型化的激光振镜控制系统，系统基于XY2-100协议的通讯数据结构，选用基于ARM Cortex M7内核的STM32 F767芯片为主控芯片，配合丰富的外设设计了一款集成化程度高，将控制电路与转换电路、驱动电路等精简化，对几何畸变进行了优化补偿处理的振镜控制系统，有效减小了控制系统的尺寸、体积、功耗，弥补了目前振镜控制系统的不足。

1 振镜控制系统原理

振镜控制原理主要是控制激光束入射到两反射镜上后，操控反射镜上的振镜电机反射激光束，使得这两个反射镜可分别沿X、Y轴偏转，从而达到激光束的偏转，再通过F-θ透镜聚焦使具有额定功率密度的激光聚焦在加工工件上按所需的要求运动，从而使激光在工件上扫描，最终形成预期的图案，其原理如图1所示。

图1 振镜控制系统原理

2 系统硬件设计

控制电路和驱动电路组成振镜控制系统主体，系统组成框图如图2所示。

图2 系统组成框图

控制电路的主控芯片通过UART串口从上位机中接受指令及加工数据，在主控芯片中经内部程序处理数据后发送信号到驱动电路再由驱动电路内部的D/A转换电路产生振镜电机所需要的模拟信号，驱动电机转动完成驱动振镜摆角。在振镜的运动控制系统中，本设计选用高性能的基于ARM Cortex M7 32位RISC内核的STM32 F767芯片为主控芯片，其性能优越带有自适应实时加速器、4KB数据高速缓存和4KB指令高速缓存，并拥有多达18个定时器、25个通信接口以及168个I/O端口，最主要的是F767的工作频率高达216MHz，这能大大提高控制系统的运行速度和整体性能，也可以进行一主多从式控制系统的开发。在振镜控制系统中XY2-100是数字化激光扫描振镜的接口定义及通信协议，它使用四路差分信号：SENDCK（时钟信号）、SYNC（同步信号）、CHANNELX（X通道数据）、 CHANNELY（Y通道数据）[2]。在工业控制中，如果控制电路直接输出模拟电压到驱动电路控制激光振镜，那么信号极易受外界电磁干扰或信号噪声水平高，而差分数字信号传输控制命令可以很好地解决这些干扰问题，以差分数字信号传输，然后在接收端的振镜驱动电路中进行数模转换获得控制信号。本设计用STM32F767的GPIO端口输出数字信号，再选用AM26C31芯片，将产生的控制信号转化为差分信号，传送到驱动电路。

控制系统的驱动电路主要由通讯模块、D/A转换电路、功率放大电路组成，驱动电路系统框图如图3所示。

图3 驱动电路系统框图

驱动电路接收从控制电路过来的差分信号，对输入的差分信号进行减法运算还原为数字信号，再通过D/A数模转换电路对信号进行数模转化，经过功率放大处理后输出模拟电压驱动振镜电机摆动。

3 系统软件

TM32F767支持C语言、汇编语言，由于C语言可读性强、可移植性好，加之其自带丰富的官方HAL库主要由C语言编写，所以本控制系统采用C语言编程。STM32开发环境采用德国KEIL开发的MDK集成开发环境，它是目前针对ARM处理器，尤其是Cortex M内核的最佳开发工具，可以进行源文件开发、语法动态监测、编译链接、程序调试等。在硬件系统的基础上设计的软件系统流程如图4所示。根据XY2-100协议，它使用的四路差分信号构成一个速度为2Mbit/s的20位数据同步串行接口，数据时钟结构如图5所示。

其中时钟信号SENDCK是一个频率为2MHz的信号，当它由低电平变为高电平时数据位被写入，由高电平变为低电平时，数据位被保存；SYNC信号用于提供数据转换的同步信息，当它从低电平变为高电平时数据位的第一位数据被发送，从高电平变为低电平时最后一位奇偶校验位通过奇偶校验算法算出奇偶校验值然后发送；CHANNELX/Y是数据信号，提供位置坐标X、Y轴信息，它的数据有20位，其中前三位C2、C1、C0是振镜运动方向值，一般选择参考值为001，D15-D0是数据位，由16位二进制数组成，用来控制振镜转过的角度大小，最后一位为奇偶校验位，当发送的数据中有偶数个“1”时，对应的校验位为“0”，有奇数个“1”时，对应的校验位为“1”[3]。通过奇偶校验算法算出奇偶校验值，其算法是设立两个校验变量checkX、checkY，初始值为0，在CHANNELX/Y前19位数据发送时，每一位都进行一次数据判断，然后计数，当19位数据发送完成后对checkX、checkY除2求余运算得出奇偶检验值，例如现在发送第18位数据，CHANNELX=（（（X坐标&0x1）==0）？0:1），checkX+=（CHANNELX==1），这样对每一位做一次按位与运算再记到技术变量中就可以得到前19位数据中的1、0个数，最后第20位数据则可以通过除2求余得到校验值，CHANNELX=（（（checkX%2）==0）？0:1）。

图4 软件流程图

图5 数据时钟结构图

本设计选择STM32F767的GPIO输出一路PWM波输出作为时钟信号，再利用定时器1中断输出X、Y数据信号及同步信号，设定0.25微秒产生一次中断，一个周期为0.5微秒，利用一个20个元素的数组存储状态信息，以利于减少中断处理时间。

4 几何畸变优化

而在理想情况下，振镜控制系统的扫描角度与坐标点存在如式（2）理想关系：

实际控制过程中理想状态下扫描角度与理想坐标点（X´,Y´）的处理关系如式（3）：

如果我们在实际加工中要想得到理想的坐标，则需要对扫描角进行补偿，补偿量计算公式如式（5）：

综上理论验证与实际计算，我们就可以对控制系统的桶枕形失真进行一定的补偿矫正，得到相对精准的加工数据。

5 系统测试结果及分析

通过上位机设定好加工数据并发送给控制系统，经过对控制系统各信号检测，实际测得信号如图6所示，实际产生的时钟信号满足通讯协议要求，实际产生的同步信号也满足通讯协议，可以为通讯系统提供准确通讯时序节拍。从上位机上传数据综合测试信号图如图7所示，从上位机发送一个坐标点为（1001,10000）的坐标数据（对应二进制位0000001111101001,0010011100010000），系统可以准确无误的将数据发送给振镜电机。

图6 时钟同步信号

图7 综合测试信号

根据测试结果可知通过串口的数据可以准确发送位置坐标信息，控制时序正常无误，20位数据执行周期小于50μs最高可以实现每秒2万次振镜的高速转动，可以很好满足控制系统对振镜的高速、正确控制要求。再通过对桶枕形复合失真的矫正补偿与未补偿对比得到如图8测试结果，从图8中可以看出通过对桶枕形复合失真的矫正补偿可以有效提高控制系统的精度，实现控制系统的高速高精度要求。

图8 桶枕形失真补偿前后对比图

6 结论

本文设计了一款高速高精度、低功耗、小型化的激光振镜控制系统，采用高速ARM Cortex M7内核的控制电路配合上位机实现对振镜的高速精准控制，通过理论认证与实验测试提出一种对桶枕形复合失真的矫正补偿方法，有效提高振镜控制系统的控制精度，优化了目前业界存在的功耗高、体积大、控制复杂、失真度大等一系列振镜控制问题，并通过制作DEMO板完成了相关实验测试，系统运行各项指标完成预期目标，取得了良好的控制效果，但由于振镜控制系统电路复杂、工作环境干扰因素多，本系统还无法做到完美解决所有问题，部分问题亟待日后完善解决。

[1] 陈苗海．中国激光加工产业现状和发展前景[J]．激光与红外，2004，(01)．

[2] 王文毅，吕勇，陈青山，等．基于XY2-100协议的振镜控制转换板的设计与实现[J]．自动化与仪器仪表，2014，(12)．

[3] 张荣，张秋鄂，李永正．高速数字扫描振镜驱动卡设计及研究[J]．应用激光，2013，(05)．

[4] 王晓初，朱照杨，张国平．高速振镜伺服驱动的PID加前馈控制[J]．微电机，2013，(05)．

[5] 梁文斌，欧少敏．基于USB的激光振镜打标卡的研究和设计[J]．大众科技，2017，(04)．

[6] 宫元九，夏斐，孙嘉兴．激光标刻系统几何失真的校正方法[J]．电子测量技术，2014，(11)．

[7] 万志，杜温锡．振镜二维扫描的图形畸变校正和曝光量补偿[J]．光学精密工程，2000，(02)．

High-speed Galvanometer Mirror Control System based on ARM Cortex M7 Core

CHEN Jun, LUO Wei-ping

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The laser processing technology is becoming muchmaturer. Its core difficulty lies in the design of the galvanometer control system. At present, there are still some problems in the laser galvanometer control part of the industry. This paper aims at the resolution of the current problem of large power consumption, low precision, and complicated circuit. As a result, a high-speed galvanometer control system based on ARM Cortex M7 core is designed. This design effectively reduces the attenuation during control signal transmission based on the XY2-100 protocol and proposes an effective optimization compensation for the inherent geometric distortion of the laser. The program, through the production of DEMO plates and experiments to verify the stability of the entire system, the speed, accuracy is superior to the industry's existing control system, which meets the actual processing requirements, and can achieve more than 20,000 times per second galvanometer deflection, and is of accurate position control. Thus, the system has a large application prospects.

Laser machining; galvanometer control; distortion compensation; STM32; High speed; low power consumption

罗维平（1967-），女，教授，研究方向：检测技术与智能控制、信号与信息处理.

TG333

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2095－414X(2018)06－0025－06