CN101609314A - 高精度激光切割系统数据采集控制卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高精度激光切割系统数据采集控制卡，包括上位机及下位机，下位机中的信号处理模块、A/D转换模块、下位机CAN总线模块、下位机存储器扩展模块均与下位机微控制器相连接，下位机微控制器接入激光器控制模块，信号处理模块接入传感器信号发生模块，A/D转换模块的输入端连接信号处理模块，A/D转换模块的输出端连接下位机CAN总线模块；上位机中的按键控制模块、显示模块、上位机CAN总线模块、上位机存储器扩展模块均与上位机微控制器相连接；上位机CAN总线模块通过CAN局域网与下位机CAN总线模块通信连接。该方案可远距离监控激光能量信息和位移量信息，能远距离切换多个激光器的GATE信号，成功实现多套激光器系统的切换，满意达到对激光器的灵活控制。

Description

高精度激光切割系统数据采集控制卡

技术领域

本发明涉及一种数据采集控制卡，尤其涉及高精度激光切割系统数据采集控制卡。

背景技术

当前，激光切割设备被广泛应用于工业生产中，并随着现代化工业的发展对其提出越来越高的要求。当前的切割设备对激光的能量和位移量的要求比较高，但现有控制系统无法对其实现可靠性高、针对性强的多台激光器实时激光能量和位移量，激光开关光控制，且兼容性和抗干扰能力都较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高精度激光切割系统数据采集控制卡，实现多台激光器激光能量和位移量，开关光实时显示与控制。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

高精度激光切割系统数据采集控制卡，包括上位机及下位机，特点是：所述下位机包含信号处理模块、A/D转换模块、下位机CAN总线模块、下位机存储器扩展模块和下位机微控制器，所述信号处理模块、A/D转换模块、下位机CAN总线模块、下位机存储器扩展模块均与下位机微控制器相连接，所述下位机微控制器接入激光器控制模块，控制多台激光器能量和激光器开关光，所述信号处理模块接入传感器信号发生模块，所述A/D转换模块的输入端连接信号处理模块，所述A/D转换模块的输出端连接下位机CAN总线模块；所述上位机包含按键控制模块、显示模块、上位机CAN总线模块、上位机存储器扩展模块和上位机微控制器，所述按键控制模块、显示模块、上位机CAN总线模块、上位机存储器扩展模块均与上位机微控制器相连接；所述上位机CAN总线模块通过CAN局域网与所述下位机CAN总线模块通信连接。

进一步地，上述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其中，所述下位机微控制器采用的主控芯片是AT89C51，该芯片主要控制多台激光器能量信号、位移量、开关光信号的控制。

更进一步地，上述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其中，所述上位机微控制器采用的主控芯片是AT89C51，该芯片控制CAN总线局域网信号的发送和接收。

再进一步地，上述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其中，所述下位机CAN总线模块嵌有控制信号传输的芯片，所述芯片为CAN接口控制芯片82C250。

再进一步地，上述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其中，所述上位机CAN总线模块嵌有控制信号传输的芯片，所述芯片为CAN接口控制芯片82C250。

再进一步地，上述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其中，所述A/D转换模块采用12位逐次比较型A/D转换器AD574。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明数据采集控制卡由独立的模块连接而成，可靠性高、针对性强、实时性好，减小了板卡尺寸，故障容易排查，具有良好的兼容性及抗干扰能力。使用时，能实时提供激光器功率和位移信息，开关光，CAN接口模块将信息传输给上位机进行显示和控制，安全性好。通过上位机的控制模块可以实现一个系统控制多台激光器，模拟信号通过微控制器判断大小，微控制器控制可编程放大器对信号进行适当的放大，减少了信号的失真；CAN总线接口电路部分采用了高速光偶6N137对信号进行隔离，减少了外部信号的干扰，提高了信号采集的精度。随时可以远距离监控激光的能量信息和位移量的信息，可远距离切换多个激光器的GATE信号，成功实现多套激光器系统的切换，满意达到了对激光器的灵活控制及快速通信。堪称是具有新颖性、创造性、实用性的好技术，为一实用的新设计。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的架构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	传感器信号发生模块	2	信号处理模块	3	A/D转换模块
4	下位机CAN总线模块	5	CAN局域网	6	激光器控制模块
						7	下位机微控制器	8	下位机存储器扩展模块	9	按键控制模块
10	显示模块	11	上位机存储器扩展模块	12	上位机微控制器
						13	上位机CAN总线模块	A	下位机	B	上位机

具体实施方式

为了使激光切割系统能够同时采集激光能量和位移，以及控制多台激光器的GATE信号，设计了一种高精度激光切割系统数据采集控制卡，该板卡接收位移和能量信号并通过远距离传输显示，并可以控制多台激光器系统。

如图1所示的高精度激光切割系统数据采集控制卡，包括下位机A及上位机B，下位机A包含信号处理模块2、A/D转换模块3、下位机CAN总线模块4、下位机存储器扩展模块8和下位机微控制器7，信号处理模块2、A/D转换模块3、下位机CAN总线模块4、下位机存储器扩展模块8均与下位机微控制器7相连接，下位机微控制器7采用的主控芯片是AT89C51，下位机微控制器7接入激光器控制模块6，信号处理模块2接入传感器信号发生模块1，A/D转换模块3的输入端连接信号处理模块2，A/D转换模块3的输出端连接下位机CAN总线模块4。上位机B包含按键控制模块9、显示模块10、上位机CAN总线模块13、上位机存储器扩展模块11和上位机微控制器12，按键控制模块9、显示模块10、上位机CAN总线模块13、上位机存储器扩展模块11均与上位机微控制器12相连接，上位机微控制器12采用的主控芯片是AT89C51；上位机CAN总线模块13通过CAN局域网5与下位机CAN总线模块4通信连接。激光功率传感器和激光位移传感器的模拟信号通过信号处理模块2对信号进行适当的放大、滤波，A/D转换模块3转换后通过下位机CAN总线模块4发送给上位机进行显示和控制。而控制多台激光器的GATE信号，是通过上位机发送指令给上位机CAN总线模块，CAN局域网5进行传输，下位机微控制器7对GATE信号进行控制，激光器控制及激光器系统切换通过上位机发送激光器选择指令给下位机进行GATE信号控制，GATE信号的响应时间达到uS级别。本数据采集卡同时可以采集10路的模拟信号，上位机和下位机的传输距离能达到10KM以上，可以进行远距离的信息控制，分辨率达到12位，最高传输速率最高可达1Mbps。实时激光能量、位移、激光器GATE信息通过CAN总线局域网进行传输，下位机CAN总线模块4嵌有控制信号传输的芯片，芯片为CAN接口控制芯片82C250，上位机CAN总线模块13嵌有控制信号传输的芯片，芯片为CAN接口控制芯片82C250，82C250芯片是通过微控制器的芯片AT89C51进行控制，上位机主要接收信息并进行显示和控制，控制CAN总线接收的是芯片82C250。一个CAN总线局域网可以连接110个节点，抗干扰能力强，接线简单，采用双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线，其传输距离远。

其中，信号处理模块2对采集激光功率和激光位移的模拟量信号进行处理，传感器信号发生模块1输出的电压一般来说非常小，必须经过放大、滤波以后才能送往A/D转换模块3进行转换。模拟量输入通道一般由传感器、可编程放大器、滤波电路、多路选择器、采样保持器和A/D转换器组成，一般从传感器信号发生模块1传出来的信号都很小，含有高频噪声和直流噪声干扰，且信号不稳定，为了送给A/D转换模块3作为其输入，并且去除其中的噪声干扰，对于前置放大器进行电路设计，通常，检测信号的放大采用集成运算放大器，运算放大器实现模拟信号的加减运算，运算放大器电压增益高，输入阻抗大，输出阻抗小，根据反馈电路的接法实现反向运算、同相运算和差动运算等。为满足对大小不同信号的处理，采用可编程运算放大器PGA103，对电压、电流信号进行放大，通过单片机对可编程器件PGA103的管脚1和管脚2进行控制，使放大倍数×1(A0＝A1＝0)、×10(A0＝1，A1＝0)、×100(A0＝0，A1＝1)三种不同值，满足对大小不同信号的放大要求，硬件电路简单，容易实现。可编程放大器输出的信号，送入二阶电压低通滤波器，使用该电路的目的是改善f0附近的幅频特性，滤除信号中的高频干扰，其中f0＝1/2πRC，连续信号x(t)经采样器采样后变为离散信号x^*(t)，香农(Shannon)采样定理指出，离散信号x^*(t)可完满地复原为连续信号的条件为：ωA≥2ωmax，ωA为采样角频率，ωA＝2π/T，ωmax为连续信号x(t)的幅频谱|x(jω)|的上限频率，所以T≤π/ωmax。对电流信号的采集，采用了电流电压转换芯片RCV420，有效的提高了采样精度，RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片，用于将4～20mA输入信号转换成为0～5V输出信号，包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准，其总转换精度为0.1％，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达±40V。

A/D转换模块3采用高速12位逐次比较型A/D转换器AD574，AD574是12位逐次逼近式带三态输出缓冲器的A/D转换器，可以直接与8位或16位单片机总线连接。

下位机CAN总线模块4与上位机CAN总线模块13为上位机及下位机提供交互通信的渠道，将上位机的控制信号、状态量及数据信号传递给下位机；上位机和下位机之间的通信通过CAN总线局域网进行通信，CAN局域网是总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络，在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的部分。CAN控制器以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现功能，对外提供与微处理器的物理线路的接口，通过对编程，CPU可以设置工作方式，控制工作状态，进行数据的发送和接收，将应用层建立在基础之上。CAN总线接口电路通过单片机控制CAN接口芯片和控制芯片，实现数字信号在上位机和下位机之间的传输。CAN总线模块电路中增加高速光偶6N137，提高整个电路的稳定性和安全性。

显示模块10实时显示激光能量和位移信号的数值，采用五位数码管显示，第1个数码管表示显示采集通道，第3-6个数码管显示测量值的大小，单片机利用74LS164的串/并转换功能，将数据送到数码管显示。采用串行输入使硬件简单，占用单片机系统接口少，简化软件编程。控制部分是按键控制模块，按钮控制信息通过CAN局域网发送到下位机进行控制激光器的GATE信号，以及激光能量和激光位移量的模拟信号的采集。

具体工作时，A/D转换模块3将采集的激光能量和位移信号通过AD574转换成数字信号，经过下位机微控制器7处理后，通过下位机CAN总线模块4经CAN局域网发送到上位机显示，进行远距离的传送和控制。不同激光器的切换通过上位机CAN总线模块13进行控制，能量和位移信号通过显示模块10和按键控制模块9进行分时显示以及通过其进行切换控制，该板卡显示实时的激光能量和位移量以及激光器的种类。

综上所述，本发明技术方案由独立的模块连接而成，可靠性高、针对性强、实时性好，减小了板卡尺寸，故障容易排查，具有良好的兼容性及抗干扰能力。使用时，能实时提供激光器功率和位移信息，CAN接口模块将信息传输给上位机进行显示和控制，安全性好。通过上位机的控制模块可以实现一个系统控制多台激光器。模拟信号通过微控制器判断大小，微控制器控制可编程放大器对信号进行适当的放大，减少了信号的失真；CAN总线接口电路部分采用了高速光偶6N137对信号进行隔离，减少了外部信号的干扰，提高了信号采集的精度。随时可以远距离监控激光的能量信息和位移量的信息，可远距离切换多个激光器的GATE信号，成功实现多套激光器系统的切换，满意达到了对激光器的灵活控制及快速通信。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.高精度激光切割系统数据采集控制卡，包括上位机及下位机，其特征在于：所述下位机包含信号处理模块、A/D转换模块、下位机CAN总线模块、下位机存储器扩展模块和下位机微控制器，所述信号处理模块、A/D转换模块、下位机CAN总线模块、下位机存储器扩展模块均与下位机微控制器相连接，所述下位机微控制器接入激光器控制模块，所述信号处理模块接入传感器信号发生模块，所述A/D转换模块的输入端连接信号处理模块，所述A/D转换模块的输出端连接下位机CAN总线模块；

所述上位机包含按键控制模块、显示模块、上位机CAN总线模块、上位机存储器扩展模块和上位机微控制器，所述按键控制模块、显示模块、上位机CAN总线模块、上位机存储器扩展模块均与上位机微控制器相连接；

所述上位机CAN总线模块通过CAN局域网与所述下位机CAN总线模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其特征在于：所述下位机微控制器采用的主控芯片是AT89C51，该芯片通过CAN局域网接收上位机发送的指令控制多台激光器能量和激光器开关光。

3.根据权利要求1所述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其特征在于：所述上位机微控制器采用的主控芯片是AT89C51，该芯片通过CAN网络发送相应的指令，给下位机，从而达到实时控制多台激光器能够和开关光信号。

4.根据权利要求1所述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其特征在于：所述下位机CAN总线模块嵌有控制信号传输的芯片，所述芯片为CAN接口控制芯片82C250。

5.根据权利要求1所述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其特征在于：所述上位机CAN总线模块嵌有控制信号传输的芯片，所述芯片为CAN接口控制芯片82C250。

6.根据权利要求1所述的高精度激光切割系统数据采集控制卡，其特征在于：所述A/D转换模块采用12位逐次比较型A/D转换器AD574。

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