CN104464483B - 二维振镜激光扫描教学演示装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开二维振镜激光扫描教学演示装置及其实现方法，该装置包括二维振镜扫描模块、图像轨迹记录仪和上位机人机界面；上位机人机界面主要用于教学演示图形或文字的绘制以及串口通信的设置，上位机人机界面包括显示屏和控制按键，人机界面设置为：根据所述显示屏上的功能菜单，通过选择不同的控制按键向二维振镜扫描模块发送相应指令；二维振镜扫描模块用于接收上位机操作界面的指令、完成指令轨迹解码、反射镜的偏转控制以及激光器的开关控制；图像轨迹记录仪以DSP图像处理器为核心，用于实现扫描图像轨迹的实时记录及显示；本发明结构简单、成本低廉，无需产生材料损耗费，无需较大投入，即可模拟工业激光扫描仪器用于教学，满足教学需求。

Description

二维振镜激光扫描教学演示装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种教学仪器，具体涉及二维振镜激光扫描教学演示装置。

背景技术

随着激光技术的发展，激光扫描技术在制造领域的应用越来越广泛，激光技术是一门跨学科、跨行业的新型课程。振镜式激光扫描作为激光扫描技术的主要应用，以其高精度、高速度等特点被广泛应用于激光加工、图形传输、医学诊断、激光演示以等领域。

振镜扫描技术，其实质是在利用高密度、高功率激光源作为加工主体，并通过二维振镜的反射或折射，以振镜的运动实现静止的激光的运动，最终实现激光在工件上的来回扫描。

振镜式激光扫描技术的广泛应用推动着对激光扫描技术的学习和研究，而目前国内没有专门用于教学演示的此类仪器，市场上关于激光扫描的仪器多用于工业生产，其价格都比较昂贵。此外，使用工业激光扫描仪器做演示教学时需要产生较大的材料损耗，还需要专门的设备保养，需要较大的投入；为此，工业激光扫描仪器不适合应用在高校或者职校的实践教学中。

发明内容

为克服上述问题，本发明在现有振镜激光扫描技术的基础上，设计出了一款专用于教学演示的二维振镜激光扫描系统，以满足国内市场上对专用于教学演示的振镜式激光扫描仪器的需求。本发明提出了二维振镜激光扫描教学演示装置及其实现方法。

本发明的技术方案为:

二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，二维振镜激光扫描教学演示装置包括二维振镜扫描模块100、图像轨迹记录仪200和上位机人机界面；其中上位机人机界面主要用于教学演示图形或文字的绘制以及串口通信的设置，上位机人机界面包括显示屏和控制按键，人机界面设置为：根据所述显示屏上的功能菜单，通过选择不同的控制按键向二维振镜扫描模块发送相应指令；二维振镜扫描模块100用于接收上位机操作界面的指令、完成指令轨迹解码、反射镜的偏转控制以及激光器的开关控制；图像轨迹记录仪以DSP图像处理器为核心构成，用于实现扫描图像轨迹的实时记录及显示；

二维振镜扫描模块100包括核心控制器101、激光器及其控制器102、减速步进电机及其驱动器和X轴反射镜103、Y轴反射镜104，其中核心控制器与上位机之间采用串口通信，核心控制器用于接收上位机指令信息并解码、控制激光器的开关以及控制步进电机转动；减速步进电机配以高细分电机驱动器；X、Y轴反射镜由步进电机以及平面镜构成，通过步进电机的转动完成对入射激光的反射，从而完成激光在二维平面上的扫描运动；

图像轨迹记录仪包括DSP处理器，以及与DSP处理器相连的图像采集CCD、扩展FLASH、SDRAM及监视器；其中图像采集CCD为系统图像传感器，用于实时记录激光轨迹；DSP处理器负责对激光轨迹进行处理，并实时送监视器显示出激光轨迹；FLASH及SDRAM为系统扩展存储资源；监视器为普通AV接口显示器，用于显示实时的激光轨迹。

二维振镜激光扫描教学演示装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设置上位机和二维振镜扫描模块中控制器之间的通信协议；

2)激光光斑位置调零：如激光光斑不在工作屏幕中心，则通过上位机发送指令给下位机，由下位机中的控制器驱动步进电机的X轴、Y轴，从而使激光光斑调整到工作屏幕的中心处；

3)上位机人机界面绘制需要扫描的图形或者文字轨迹，并进行编码，编码后的数据通过步骤1)中定义的通信协议发送至下位机控制器中；

4)下位机接收数据并进行命令判断，如接收的数据为数据命令，则执行步骤5)，如接收的数据为控制命令，则继续接收数据；

5)下位机轨迹解码；

6)下位机控制电机完成绘制图形的插补运算及激光二极管的控制；

7)图像轨迹记录仪实现扫描图像轨迹的实时记录及显示。

本发明的优点在于，结构简单、使用简单。其次，成本低廉，无需产生材料损耗费，无需较大投入，即可模拟工业激光扫描仪器用于教学，满足教学需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是扫描轨迹的插补示意图；

图3是电机驱动电路示意图；

图4是激光控制器的驱动电路；

图5是二维振镜扫描工作流程图；

图6是图像轨迹记录仪工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，二维振镜激光扫描教学演示装置包括二维振镜扫描模块100、图像轨迹记录仪200和上位机人机界面。其中上位机人机界面主要用于教学演示图形或文字的绘制以及串口通信的设置，上位机人机界面包括显示屏和控制按键，人机界面设置为：根据所述显示屏上的功能菜单，通过选择不同的控制按键向二维振镜扫描模块发送相应指令；二维振镜扫描模块100用于接收上位机操作界面的指令、完成指令轨迹解码、反射镜的偏转控制以及激光器的开关控制；图像轨迹记录仪以DSP图像处理器为核心构成，用于实现扫描图像轨迹的实时记录及显示。

二维振镜扫描模块100包括核心控制器101、激光器及其控制器102、步进电机驱动器和X轴反射镜103、Y轴反射镜104，其中核心控制器101采用STM32F103高性能单片机与上位机之间采用串口通信，用于接收上位机指令信息并解码、控制激光器的开关以及控制步进电机转动。激光器及其控制器采用市售普通小功率激光器，其控制器采用快速三极管构成的开关电路，可实现激光器的开关控制；选用行星减速步进电机42BYGH AG99.5，电机减速比为1:99.5；步进电机驱动器采用HBS3128A高细分步进电机驱动器，用于将控制器的输出转换为能驱动步进电机的脉冲，支持最大3A的八种输出电流、最大128细分的八种细分模式。减速步进电机配以高细分电机驱动器，使系统能够达到小于等于0.0013mm的定位精度。X、Y轴反射镜由42BYGH AG99.5步进电机以及普通玻璃平面镜构成，通过步进电机的转动完成对入射激光的反射，从而完成激光在二维平面上的扫描运动。

图像轨迹记录仪以TMS320DM642为核心，外加图像采集CCD、扩展FLASH、SDRAM及监视器组成。其中图像采集CCD为系统图像传感器，用于实时记录激光轨迹；TMS320DM642负责对激光轨迹进行处理，并实时送监视器显示出激光轨迹；FLASH及SDRAM为系统扩展存储资源；监视器为普通AV接口显示器，用于显示实时的激光轨迹。

图5及图6显示了系统的工作过程，具体如下，：

(1)设置好上位机和STM32F103单片机之间的通信协议，通信协议包括通信速率、流控制、数据位、停止位和校验位。

(2)激光光斑位置调零：如激光光斑不在工作屏幕中心，则通过上位机发送指令给下位机，由下位机驱动步进电机的X轴、Y轴，从而使激光光斑调整到工作屏幕的中心处；

(3)上位机绘制需要扫描的图形或者文字轨迹：为简便计算和后续处理，上位机人机界面对绘制的轨迹编码采用直线坐标式——即通过采集绘图过程中前后两个不同点的坐标，用两点间形成的不同长短的直线段来描述绘制的轨迹。假设绘图时用户在上位机绘图界面中点击了不同的点(x1,y1)和(x2,y2)，则这两个点形成了唯一的直线段。所以对于绘制的轨迹只需记录鼠标点击的初始坐标和终点坐标即可。上位机将该坐标通过自定义的通信协议发送至下位机控制器中。

(4)下位机接收数据并进行命令判断；

上位机人机界面通过RS232串口发送数据给下位机，由于通信时设置了起始标志和结束标志，下位机STM32F103需要对接收的数据进行校验，判别是否为有效数据。

通信协议设置为12个字节为一帧命令，其中第1、2字节为帧头(固定值)，第3字节为数据命令和控制命令区分字节，第4、5字节为绘图时鼠标点击位置在绘图区中起始点的X坐标(第4字节为高位，第5字节为低位)，第6、7字节为绘图时鼠标点击位置在绘图区中起始点的Y坐标(第6字节为低位，第7字节为高位)，第8、9字节为终点的X坐标(第8字节为高位，第9字节为低位)，第10、11字节为终点的Y坐标(第10字节为低位，第11字节为高位)，第12字节为校验位(将中间的4-11字节相加后取其低8位作为数据校验值)。

下位机根据通信数据的第3字节对接收到的数据进行判别，如果该字节为0x00，则为控制指令(控制指令主要为完成初始对准时的激光光斑点调零)；如果为0x01，则视为轨迹数据。

(5)下位机轨迹解码

下位机对从上位机接收的数据进行解码，根据接收的通信数据的第3字节对接收到的数据进行判别，如果该字节为控制命令，则按照相应的格式控制电机完成激光光斑位置调零，之后返回；如果为轨迹数据命令，则根据步骤(4)中所描述的通信协议，下位机即可计算出需要完成的轨迹，从而完成对上位机数据指令的解码。

(6)下位机控制电机完成绘制图形的插补运算及激光二极管的控制

①图形轨迹的插补运算

如图2所示为扫描轨迹的插补示意图，对于任意直线段(P1和P2点连线构成)，设其斜率为设定设备的扫描速度v和中断插补周期T，根据扫描速度与插补步长、插补周期的关系，在插补周期T内的合成进给量为ΔL＝V*T。在扫描速度一定的情况下，插补步长与插补周期成反比关系，即插补周期越短，则插补步长要求越小；相反如果插补周期越长，则插补步长要求越大。但是插补步长不能太大，否则会影响扫描精度。根据扫描线段两个端点的坐标计算得：

$\cos \mathrm{\φ}=\mathrm{\Δx}/\sqrt{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δy}\right)}^2},$

$\sin \mathrm{\φ}=\mathrm{\Δy}/\sqrt{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δy}\right)}^2}.$

设p_i(x_i+y_i)为直线上任意一插补点，p_i+1(x_i+1+y_i+1)为其下相邻的下一个插补点。设Δx_i与Δy_i分别为X、Y轴在一个插补周期内的进给量。则有：

Δx_i＝ΔL cosφ，

x_i+1＝x_i+Δx_i，

Δy_i＝y_i+1-y_i，

y_i+1＝x_i+1tanφ。

其他任意形状图形或文字扫描均可以由直线扫描填充来完成。

②电机驱动电路如图3所示：下位机控制器的引脚PA11、PA12和VDD分别连接至电机驱动器的DIR/CCW+、PLS/CW+和ENA+接口，分别控制着电机的转动方向(顺时针或逆时针)、转速和电机驱动器的使能(为高电平时，电机驱动使能)，为简便起见，直接将驱动器的ENA+与控制器的VDD相连接，使驱动器一直处于使能状态。图中的A+、A-、B+和B-分别接至42BYGH步进电机的相应的引脚，DC+和DC-连接至电源(+12V)。

控制器根据实际需要首先通过对PA12引脚写入0或1以设定电机转动方向，进而从PA11引脚送出一定频率的脉冲数，即可实现步进电机的转动。通过相同的两路驱动，即可控制两个偏转步进电机。

③激光二极管的控制

由于绘制的图形轨迹并非均是连续的，如从A点到B点之间，若无激光光斑的轨迹出现，则此时应关闭激光二极管；待需要实现激光光斑轨迹时，打开激光二极管。

下位机控制器I/O口输出电流比较小，驱动能力不够，不足以驱动激光二极管发光。系统中采用以三极管为开关管构成的控制器来驱动激光二极管，如图4所示，为激光控制器的驱动电路，电三极管的基极接至单片机的引脚PE10，通过改变PE10的电平实现激光笔亮灭的控制。当PE10为高电平时，三极管导通，则激光二极管导通；当PE10为低电平时，三极管截止，则激光二极管熄灭。R3为限流电阻，用以控制流过激光二极管中的电流。

如此重复步骤5、6直至结束。

(7)图像轨迹记录仪实现扫描图像轨迹的实时记录及显示。

图像采集CCD将实时记录激光轨迹传送至TMS320DM642，TMS320DM642对激光轨迹进行处理，并实时送监视器显示出激光轨迹。具体包括：

①系统初始化；

②通过视频端口接收CCD图像，在内存中分别开辟Cr,Cb,Y的捕获、显示和临时计算缓冲区，并将亮度Y显示及临时缓冲区中填充视频初始灰度图像；

③随着激光轨迹的不断获取，不断更新捕获缓冲区，采用加权均值滤波、自适应阀值分割对缓冲区的Y灰度图像进行处理；

④判断是否有目标；如未找到目标，则返回至步骤③，如找到目标，则执行步骤⑤；

⑤对目标质心进行定位，记录质心坐标，并在Y临时缓冲区的质心周期3*3像素区域填充灰度值255；

⑥显示：将Y临时缓冲区数据拷贝送显示区进行显示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，该装置包括二维振镜扫描模块(100)、图像轨迹记录仪(200)和上位机人机界面；其中上位机人机界面主要用于教学演示图形或文字的绘制以及串口通信的设置，上位机人机界面包括显示屏和控制按键，人机界面设置为：根据所述显示屏上的功能菜单，通过选择不同的控制按键向二维振镜扫描模块发送相应指令；二维振镜扫描模块(100)用于接收上位机操作界面的指令、完成指令轨迹解码、反射镜的偏转控制以及激光器的开关控制；图像轨迹记录仪以DSP图像处理器为核心，用于实现扫描图像轨迹的实时记录及显示；

二维振镜扫描模块(100)包括核心控制器(101)、激光器及其控制器(102)、减速步进电机及其驱动器和X轴反射镜(103)、Y轴反射镜(104)，其中核心控制器与上位机之间采用串口通信，核心控制器用于接收上位机指令信息并解码、控制激光器的开关以及控制步进电机转动；减速步进电机配以高细分电机驱动器；X、Y轴反射镜由步进电机以及平面镜构成，通过步进电机的转动完成对入射激光的反射，从而完成激光在二维平面上的扫描运动；

图像轨迹记录仪包括DSP处理器，以及与DSP处理器相连的图像采集CCD、扩展FLASH、SDRAM及监视器；其中图像采集CCD为系统图像传感器，用于实时记录激光轨迹；DSP处理器负责对激光轨迹进行处理，并实时送监视器显示出激光轨迹；FLASH及SDRAM为系统扩展存储资源；监视器为普通AV接口显示器，用于显示实时的激光轨迹。

2.根据权利要求1所述的二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，二维振镜扫描模块(100)核心控制器(101)采用STM32F103单片机。

3.根据权利要求1所述的二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，激光器的控制器采用快速三极管构成的开关电路，可实现激光器的开关控制。

4.根据权利要求1所述的二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，步进电机选用行星减速步进电机42BYGH AG99.5，电机减速比为1:99.5；步进电机驱动器采用HBS3128A高细分步进电机驱动器，用于将控制器的输出转换为能驱动步进电机的脉冲，支持最大3A的八种输出电流、最大128细分的八种细分模式。

5.根据权利要求1所述的二维振镜激光扫描教学演示装置，其特征在于，DSP处理器为TMS320DM642。

6.二维振镜激光扫描教学演示装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设置上位机和二维振镜扫描模块中控制器之间的通信协议；

2)激光光斑位置调零：如激光光斑不在工作屏幕中心，则通过上位机发送指令给下位机，由下位机中的控制器驱动步进电机的X轴、Y轴，从而使激光光斑调整到工作屏幕的中心处；

3)上位机人机界面绘制需要扫描的图形或者文字轨迹，并进行编码，编码后的数据通过步骤1)中定义的通信协议发送至下位机控制器中；

4)下位机接收数据并进行命令判断，如接收的数据为数据命令，则执行步骤5)，如接收的数据为控制命令，则继续接收数据；

5)下位机轨迹解码；

6)下位机控制电机完成绘制图形的插补运算及激光二极管的控制；

7)图像轨迹记录仪实现扫描图像轨迹的实时记录及显示。

7.根据权利要求6所述的二维振镜激光扫描教学演示装置的实现方法，其特征在于，通信协议包括通信速率、流控制、数据位、停止位和校验位。

8.根据权利要求6所述的二维振镜激光扫描教学演示装置的实现方法，其特征在于，步骤3)中上位机对绘制的图形或文字轨迹编码采用直线坐标式——即通过采集绘图过程中前后两个不同点的坐标，用两点间形成的不同长短的直线段来描述绘制的轨迹；假设绘图时用户在上位机绘图界面中前后点击了两个不同的点(x1,y1)和(x2,y2)，则这两个点形成了唯一的直线段；所以对于在上位机人机界面绘制的图形或者文字轨迹只需记录鼠标点击的初始坐标和终点坐标即可。

9.根据权利要求6至8任一项所述的二维振镜激光扫描教学演示装置的实现方法，其特征在于，通信协议设置12个字节为一帧命令，其中第1、2字节为帧头固定值；第3字节为数据命令和控制命令区分字节；第4、5字节为绘图时鼠标点击位置在绘图区中起始点的X坐标，第4字节为高位，第5字节为低位；第6、7字节为绘图时鼠标点击位置在绘图区中起始点的Y坐标，第6字节为低位，第7字节为高位；第8、9字节为终点的X坐标，第8字节为高位，第9字节为低位；第10、11字节为终点的Y坐标，第10字节为低位，第11字节为高位；第12字节为校验位，将中间的4-11字节相加后取其低8位作为数据校验值。