基于μCOS嵌入式系統控制的激光打標機設計

韓竺秦+陳少煌+陳偉鋒+黃爽+周展鑫+蔡佳玲

摘要：隨著激光技術和計算機控制技術的不斷發展，激光打標機憑其無接觸、無切割力、速度快等優點逐漸代替傳統的打標技術，得到廣泛應用，能滿足用戶對產品精度及美觀的需求。設計利用PC上位機解讀圖像，通過串口與下位機Cortex-M4 K60通訊，控制XY軸的步進電機以及LD-E405G68激光頭的運動軌跡進行打標。綜合了激光技術、嵌入式和計算機控制技術，激光打標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調整。該系統可以實現實時、高精度的激光標記。

關鍵詞：激光打標機； K60；計算機控制技術；嵌入式

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：16727800（2017）004012403

0引言

隨著科學技術和激光加工技術的發展，激光加工技術已經在人們生活中得到廣泛應用。我國激光技術起步晚，傳統的噴碼技術是標識技術的一種，相比機械壓痕、印刷、化學腐蝕等標識技術，噴碼技術具有不接觸產品，表示內容豐富，可以和計算機技術結合進行復雜內容噴印等優點[2]。噴碼技術已被廣泛應用于日化產品、食品、建材產品、電子產品等行業。在國內外，噴碼技術應用一直保持著較高增長率，并且具有非常好的發展前景。隨著噴碼技術的改進與新的噴碼技術不斷出現，噴碼機的種類在不斷增加，性能也在逐漸提高。按照所用耗材的不同，噴碼機可分為油墨噴碼機和非油墨噴碼機，即激光打標機[1]。

1控制系統設計

1.1工作原理

通過JAVA上位機解碼BMP圖像，獲取對應點的坐標以及其灰度值等信息并發送給單片機，X軸步進電機帶動激光頭運動，X軸每走一步對每個點進行灼燒打標，直到行打標完畢X軸步進電機帶動激光頭返回行原點，然后Y軸前進一步；循環下去一直到圖像數據結束。

1.2系統框圖設計

通過對現有激光打標機開發的調研，針對本項目嵌入式控制系統特點，所設計的控制系統應具備如下條件：（1）人機界面交互。利用Java開發的上位機，實現數據解碼，控制打標的各種功能。（2）高精度步進電機及XY兩軸運動支架。提供XY兩軸機械運動基礎。（3）上、下位機通訊。利用串口通訊，實現數據傳輸。（4）處理器頻率達到100M以上，Flash存儲512K以上，用作圖片數據緩存。基于以上條件，設計出以XY兩軸運動的掃描式激光打標控制系統工作原理，如圖1所示。

2硬件系統設計

系統硬件選擇主要包括處理器及外圍擴展接口。硬件平臺包括控制芯片、電路元件、步進電機、激光頭等。激光頭選型在本設計中尤其重要，選擇合適的硬件可以簡化電路從而簡化電路原理圖，并且在實行控制方面能簡化程序，特別是復雜的步進電機控制時序。

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適合打標圖票數據緩存，100M穩定高速運行頻率，適合嵌入式系統穩定運行。內置多個串口接口，適合應用多種上下位機數據傳輸與調試。Cortex-M4 K60結合IAR開發環境，實現方便、快速開發。綜合需求，選擇MK60DN512ZVLQ10芯片。

2.2步進電機驅動模塊

A4988是一款帶轉換器和過流保護的 DMOS 微步驅動器，該產品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35V±2，A4988 包括一個固定關斷時間電流穩壓器，該穩壓器可在慢或混合衰減模式下工作。 轉換器是 A4988 易于實施的關鍵。只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產生微步。無需進行相位順序表、高頻率控制行或復雜的界面編程。A4988 界面非常適合復雜的微處理器不可用或過載的應用。

2.3激光頭驅動： L298N

L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A。本設計采用L298N模塊，該模塊除了驅動能力之外，本身集成了5V穩壓功能。在設計中，只要以12V電源輸入，在驅動激光頭的同時以穩壓5V電壓給控制電路供電。

2.4硬件電路設計

本設計的硬件部分可以分為4個模塊：控制器、驅動、步進電機、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步進電機驅動電路，如圖2所示。 根據A4988步進電機驅動模塊說明書，MS1、MS2 、MS3組合控制步進電機步距角。MS2、MS3接低電平，MS1接開關。當MS1清位，MS1 、MS2、MS3為000，步距角為1.8°；當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選擇，滿足設計精度要求。

3軟件系統設計

通過上位機對BMP圖片解碼，提取圖片信息；下位機接收指令、圖片信息完成打標[3]。

3.1JAVA上位機系統

本設計采用Netbean開發環境開發JAVA上位機，主要功能為：讀取BMP圖片、與下位機Cortex-M4 K60進行通訊，傳輸圖像數據以及設定參數。軟件界面如圖3所示。

3.2BMP圖像數據結構

讀取BMP圖像的數據，必須對BMP圖像的數據結構進行解讀利用。 BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數據4部分組成。以下舉例BMP文件頭的數據結構，BMP文件頭數據結構含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息，其結構定義如下： typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {WORDbf Type； // 位圖文件的類型，必須為BMP（0～1字節） DWORD bfSize； // 位圖文件的大小，以字節為單位（2～5字節） WORD bfReserved1； // 位圖文件保留字，必須為0（6～7字節） WORD bfReserved2； // 位圖文件保留字，必須為0（8～9字節） DWORD bfOffBits； // 位圖數據的起始位置，以相對于位圖（10～13字節） } BITMAPFILEHEADER； 本設計主要提取BMP圖像的寬度、文件頭的偏移量數據，其它復雜的數據信息可以不作處理，程序上，利用數組保存寬度、偏移量數據[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據，有了BMP圖像數據后將數據發送給下位機。

3.3下位機

Cortex-M4 K60為32位處理器，本設計采用MK60DN512ZVLQ10，標準頻率可達100M，512K flash，128K RAM。該處理器自帶4個串口，用來傳輸數據的同時也方便查看數據[5]；引腳豐富，滿足控制需求；在大內存條件下，能定義一個10 240長度的數組來存儲圖像數據，滿足一般圖像寬度長度。

3.3.1數據接收 對應上位機的數據傳輸格式，下位機根據通信協議進行對應的數據接收。如圖4所示。

3.3.2創建任務 本設計利用μCOS嵌入式系統，有效地管理M4 K60的內存分配、任務調度、管理中斷，使上下位機通訊穩定，圖片數據保存準確。 μCOS嵌入式系統的應用在于調用系統的庫函數，最簡單的應用可以是調用任務創建函數創建一個任務，在任務內編寫所需程序，如圖5所示。

調用OSTaskCreateExt函數，把各個程序部分創建為各個任務，在任務中運行各部分程序，再利用其它函數來協調配合[6]。

3.3.3打標 當上位機提取到圖像的寬度后，X軸步進電機打標一行的步數就確定下來，X軸步進電機帶動激光頭進行行運動，X軸每走一步激光頭對每個點進行灼燒打標，這里灼燒的時間，與BMP圖上的像素點對應的灰度值成正比。簡單來說，點越黑，燒得越久，直到行打標完畢，X軸步進電機帶動激光頭返回行原點，然后Y軸前進一步；循環下去一直到圖像數據結束，該部分程序由以下方式實現，如圖6所示。

4結語

本文提出了基于 STM32 的激光打標機控制器設計方案。通過分析激光打標機功能需求，選擇CortexM4 K60 作為主控芯片，對于光路控制，選取高精度、抗干擾能力強的系統，而激光器則選擇高穩定性的脈沖光纖激光器。根據系統方案，完成了激光打標機控制器的硬件電路設計，主要包括最小系統及其外圍電路設計、系統接口電路設計、激光器接口電路設計等。所使用的校正方法是在已有研究的基礎上，直接對理論打標點坐標值進行二次多項式擬合，從而得到新的打標值，而不需要對中間量偏轉角進行幾次轉換，降低了計算復雜度。

參考文獻：[1]閆偉強.基于ARM+FPGA的激光打標機控制器的設計[D].南京：南京理工大學，2014.

[2]朱萍.激光加工技術發展現狀及展望[J].安徽科技，2013（1）：5152.

[3]唐海繽.激光打標機的標刻質量及評判標準的研究[D].成都：電子科技大學，2012.

[4]宋志明.基于嵌入式系統的激光打標控制軟件設計[D].南京.南京理工大學，2010.

[5]周洪瑩.激光標記二維條碼在皮革上的應用研究[D].濟南：山東大學，2012.

[6]楊杰.激光打標機控制系統的研究[D].武漢：武漢紡織大學，2014.

（責任編輯：陳福時）