CN111007759B - 一种激光器控制板及激光器控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光器控制板，包括：微控制器，内含网络控制器，用于运行实时操作系统；存储器，电连接于所述微控制器，用于存储所述实时操作系统；网络接口，通过PHY芯片电连接于所述微控制器，用于连接外部上位机，以使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信；光模块接口，通过CAN芯片电连接于所述微控制器，用于接入外部光模块，使得所述微控制器传送数据至所述外部光模块；存储卡，电连接于所述微控制器，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息。本申请还公开一种激光器控制系统，上位机与微控制器通过以太网通信，使上位机可以大批量读写微控制器数据，采用存储卡可存储大容量数据，能够满足数据存储需求。

Description

一种激光器控制板及激光器控制系统

技术领域

本申请涉及激光器领域，具体涉及激光器控制板及激光器控制系统。

背景技术

近年来，工业激光器已经成为国内外机械加工中的重要设备，广泛应用于切割、钻孔、焊接和热处理等工序。然而目前的激光器控制系统与上位机界面以及系统内部的激光器控制板与光模块之间通常采用串口通信方式，由于串口通信波特率低，难以快速传输大批量数据，且串口通讯方式必须通过轮询读写各个光模块的参数，通讯速率较慢，当光模块内部有大批量数据需要读写时，较难完成。同时激光器控制系统运行时的报警信息及运行状态要实时更新，因此记录的信息较多，通常的小容量存储芯片难以实现，给用户带来不便。

申请内容

本申请要解决的技术问题在于现有激光器控制系统的通讯速率慢，难以快速传输及读写大批量数据及存储容量小的问题，针对现有技术的上述缺陷，提供了一种激光器控制板，旨在解决现有技术中的通讯速率慢，难以快速传输及读写大批量数据及存储容量小的问题。

本申请解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光器控制板，包括：

微控制器，内含网络控制器，用于运行实时操作系统；

存储器，电连接于所述微控制器，用于存储所述实时操作系统；

网络接口，通过端口物理层(Port Physical Layer，PHY)芯片电连接于所述微控制器，用于连接外部上位机，以使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信；

光模块接口，通过控制器局域网(Controller Area Network，CAN)芯片电连接于所述微控制器，用于接入外部光模块，使得所述微控制器传送数据至所述外部光模块；

存储卡，电连接于所述微控制器，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息。

优选地，所述光模块接口通过CAN总线连接于所述CAN芯片，所述CAN总线设置优先级仲裁机制，以优先发送高优先级的数据至所述外部光模块。

优选地，所述激光器控制板还包括：

差分芯片，电连接于所述光模块接口，用于当所述外部光模块异常时输出电平急停信号；

可编程逻辑器件，电连接于所述差分芯片，用于接收到所述电平急停信号时，输出关闭信号至所述外部光模块；还通过灵活存储控制器(Flexible Memory Controller，FMC)总线电连接于所述微控制器，使得所述微控制器通过所述FMC总线读写所述可编程逻辑器件的内部数据。

优选地，所述激光器控制板还包括：

光耦输入单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于采集外部PWM信号并输出所述外部光模块的PWM激光信号；

AD输入单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于接收外部传感器采集的模拟量信号。

优选地，所述激光器控制板还包括：

DA输出单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于输出功率控制模拟量；

模拟量输入单元，用于采集外部功率控制模拟量；

模拟开关，电连接于所述DA输出单元、所述模拟量输入单元以及所述光模块接口，用于选择功率控制模拟量，当所述模拟开关接通所述DA输出单元与所述光模块接口时，选择内部功率模拟量控制所述外部光模块的输出功率；当所述模拟开关接通所述模拟量输入单元与所述光模块接口时，选择外部功率模拟量控制所述外部光模块的输出功率。

优选地，所述激光器控制板还包括：

数字I/O口，电连接于所述可编程逻辑器件，用于接收外部数字量信号至所述可编程逻辑器或输出所述可编程逻辑器件的数字量信号。

优选地，所述可编程逻辑器件为现场可编程逻辑门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)芯片或复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)芯片。

此外，为了解决上述问题，本发明还提供一种激光器控制系统，包括：

至少一个光模块，每个光模块通过总线并联连接，用于输出预设功率的激光能量，多个光模块输出的激光能量通过合束方法集合为一束激光；

上述激光器控制板，通过总线电连接于所述至少一个光模块，用于传送数据至所述至少一个光模块，还用于控制所述至少一个光模块的运行；

上位机，通过以太网连接于所述激光器控制板，用于监控所述至少一个光模块的运行状态及读写所述激光器控制板的数据。

优选地，所述总线包含CAN总线、急停信号线及功率模拟信号线；

所述CAN总线设置有优先级仲裁机制，用于优先发送高优先级的数据包至至所述至少一个光模块；

所述急停信号线用于当所述至少一个光模块异常时传送电平急停信号，使得所述所有光模块及所述激光器控制板同时检测到所述电平急停信号；

所述功率模拟信号线用于传送功率模拟量；当所述激光控制板检测到所述电平急停信号时输出关闭信号以关闭对应的异常光模块。

优选地，所述上位机还用于读取所述存储卡保存的所述实时操作系统的报警日志记录信息。

与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：

由网络接口连接外部上位机，同时通过PHY芯片连接微控制器，使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信；光模块接口，通过CAN芯片电连接于所述微控制器，用于接入外部光模块，使得所述微控制器传送数据至所述外部光模块；存储卡，电连接于所述微控制器，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息，从而外部上位机与微控制器通过通用以太网通信，使得上位机可以大批量读写微控制器数据，且存储卡可存储大容量数据，能够满足用户的数据存储需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一种激光器控制板一实施例的模块示意图。

图2是本申请一种激光器控制板另一实施例的模块示意图。

图3是本申请一种激光器控制系统的模块示意图。

附图标记：

1、1a-激光器控制板，10-激光器控制系统，50、50a-微控制器，51、51a-存储器，52、52a-网络接口，53、53a-光模块接口，54、54a-存储卡，55、55a-PHY芯片，56、56a-CAN芯片，57、57a-CAN总线，58a-可编程逻辑器件，59a-差分芯片，60a-FMC总线，61a-光耦输入单元，62a-AD输入单元，63a-DA输出单元，64a-模拟量输入单元，65a-模拟开关，66a-数字I/O口，2-上位机，3-光模块。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参见图1所示，图1为本发明激光器控制板一实施例的模块示意图。在本实施例中，激光器控制板1包括微控制器50、存储器51、网络接口52、光模块接口53、存储卡54、PHY芯片55、CAN芯片56以及CAN总线57。其中，微控制器50内含有网络控制器，用于运行实时操作系统。存储器51，电连接于微控制器50，用于存储所述实时操作系统。网络接口52，通过PHY芯片55电连接于微控制器50，用于连接外部上位机，以使得微控制器50通过网络控制器与外部上位机通过以太网通信。光模块接口53，通过CAN芯片56电连接于微控制器50，用于接入外部光模块，使得微控制器50传送数据至外部光模块。存储卡54，电连接于微控制器50，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息。

在本发明的一具体实施例中，网络接口52为RJ45网口，RJ45网口通过PHY芯片55连接至网络控制器，外部上位机通过RJ45网口连接。PHY芯片是可以操作OSI模型物理层的芯片，可以发送和接收以太网的数据帧。外部上位机与微控制器50采用通用以太网通信，100M通信波特率，上位机可以大批量读写微控制器50数据，因此，上位机读写微控制器50数据能够满足通信速率及数据容量的需求。微控制器50运行实时操作系统，网络协议采用TCP/IP协议，便于上位机通过网络远程监控外部光模块的运行状态。

在本实施例中，光模块接口53通过CAN总线57连接于CAN芯片56，从而微控制器50与外部光模块之间通过CAN总线57通信。CAN芯片56可以称为CAN总线驱动器，可以为CAN总线提供差动发送能力。CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。在本实施例中，CAN总线57设置优先级仲裁机制，以优先发送高优先级的数据至所述外部光模块，保证高优先级的数据能够优先发送。在本发明的其他实施例中，CAN总线57可以用工业以太网总线(EtherCAT)替换。

在本实施例中，微控制器50外围配置存储卡接口，存储卡54插接至所述存储卡接口以连接至微控制器50。所述实时操作系统运行时的报警日志记录信息存储在存储卡54中，在需要查看报警日志记录信息时，可以将存储卡54取下来，插接在其他办公电脑上查看，也可以通过上位机界面或者互联网远程查看。在本发明的一具体实施例中，存储卡54采用安全数字存储卡(Secure Digital Memory Card，SD)，可存储大容量数据，满足用户的数据存储需求。SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由于它体积小、数据传输速度快、可热插拔等优良的特性。存储器51采用同步动态随机存取内存(synchronousdynamic random-access memory，SDRAM)。

本发明所提出的激光器控制板，由网络接口连接外部上位机，同时通过PHY芯片连接微控制器，使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信，从而外部上位机与微控制器通过通用以太网通信，使得上位机可以大批量读写微控制器数据；进一步地，通过存储卡保存所述实时操作系统的报警日志记录信息，存储卡可存储大容量数据，满足用户的数据存储需求。

参见图2所示，图2为本发明激光器控制板另一实施例的模块示意图。在本实施例中，激光器控制板2a包括：微控制器50a、存储器51a、网络接口52a、光模块接口53a、存储卡54a、PHY芯片55a、CAN芯片56a、CAN总线57a、可编程逻辑器件58a、差分芯片59a及FMC总线60a。其中，本实施例中的微控制器50a、存储器51a、网络接口52a、光模块接口53a、存储卡54a、PHY芯片55a、CAN芯片56a及CAN总线57a的工作原理与上述实施例基本相同，在此不再赘述。

在本实施例中，差分芯片59a，电连接于光模块接口53a，用于当外部光模块异常时输出电平急停信号。可编程逻辑器件58a，电连接于差分芯片59a，用于接收到电平急停信号时，输出关闭信号以关闭对应的外部光模块。可编程逻辑器件58a还通过FMC总线60A电连接于微控制器50a，使得微控制器50a可以通过FMC总线60A读写可编程逻辑器件58a的内部数据，其中，FMC总线为并行总线。

在本发明的一具体实施例中，差分芯片59a采用MAX485芯片，当外部光模块在没有发生异常急停时，MAX485芯片都设置为输入。当外部光模块出现急停情况，立刻设置为输出，并将电平置为低电平，即输出电平急停信号。通过差分芯片59a的高低逻辑电平判断是否有急停即判断光模块3是否有异常，这种方式不同于总线数据帧的传输方式，数据帧的长度及数据帧的周期性循环会有一定的延时，而本实施例中直接通过判断差分芯片59a的高低电平信号，延时很小，出现异常情况紧停可立即通过可编程逻辑器件58a输出关闭信号关闭外部光模块，响应速度很快，避免烧损外部光模块。在本实施例中，若外部光模块有多个，多个光模块通过CAN总线57a连接通信，采用CAN总线与多个外部光模块通信，使得差分芯片59a的电平急停信号与各个外部光模块之间传递。

在本发明的一具体实施例中，微控制器50a选用型号STM32H743的ARM芯片，该芯片自带FMC总线60A，通过FMC总线60A可以直接读写可编程逻辑器件58a的数据。FMC总线能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。可编程逻辑器件58a选用FPGA芯片。FPGA芯片属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。FPGA具有布线资源丰富，可重复编程和集成度高的优点。在本发明的其他实施例中，微控制器50a还可以选用STM32F4系列或STM32F7系列的ARM芯片。可编程逻辑器件58a还可以选用CPLD芯片。CPLD芯片主要是由可编程逻辑宏单元(Macro Cell，MC)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

在本发明的其他实施例中，激光器控制板还包括光耦输入单元61a、AD输入单元62a、DA输出单元63a、模拟量输入单元64a、模拟开关65a及数字I/O口66a。其中，光耦输入单元61a，电连接于可编程逻辑器件58a，用于采集外部PWM信号并输出外部光模块的PWM激光信号。AD输入单元62a，电连接于可编程逻辑器件58a，用于接收外部传感器采集的模拟量信号。所述外部模拟量信号包括但不限于冷水器水温、水流量等。DA输出单元63a，电连接于可编程逻辑器件58a，用于输出功率控制模拟量。模拟量输入单元64a，用于采集外部功率控制模拟量。模拟开关65a，电连接于DA输出单元63a、模拟量输入单元64a以及光模块接口53a，用于选择功率控制模拟量，当模拟开关65a接通DA输出单元63a与光模块接口53a时，选择内部功率模拟量控制光模块3的输出功率；当模拟开关65a接通模拟量输入单元64a与光模块接口53a时，选择外部功率模拟量控制光模块3的输出功率。用户可以根据实际需求选择内部功率模拟量控制光模块3的输出功率或选择外部功率模拟量控制光模块3的输出功率。通常情况下，默认选择选择内部功率模拟量控制控制光模块3的输出功率，当DA输出单元63a或可编程逻辑器件58a异常时，选择外部功率模拟量控制光模块3的输出功率。光模块3的输出功率与功率控制模拟量呈正比关系。数字I/O口66a，电连接于可编程逻辑器件58a，用于接收外部数字量信号至可编程逻辑器58a或输出可编程逻辑器件58a的数字量信号。

本发明所提出的激光器控制板，微控制器自带FMC总线，通过FMC总线60A可以直接读写可编程逻辑器件的数据，简单快速；同时，通过差分芯片的高低逻辑电平光模块是否有异常，延时很小，出现异常情况紧停可立即通过可编程逻辑器件输出关闭信号以关闭外部光模块，响应速度很快，避免烧损外部光模块。

参见图3所示，图3为本发明激光器控制系统10一实施方式的示意图。在本实施例中，激光器控制系统包括激光器控制板1a、上位机22以及至少一个光模块3。其中，至少一个光模块3，每个光模块3通过总线并联连接，用于输出预设功率的激光能量，多个光模块3输出的激光能量通过合束方法集合为一束大功率激光。激光器控制板1a，内含实时操作系统，通过总线电连接于至少一个光模块3，用于传送数据至至少一个光模块3，还用于控制至少一个光模块3的运行。上位机2，通过以太网连接于激光器控制板1a，用于监控至少一个光模块3的运行状态及读写激光器控制板1a的数据。如图3所示，本实施例以三个光模块为例说明，但并不以此为限。

在本实施例中，所述总线包含CAN总线、急停信号线及功率模拟信号线。所述CAN总线设置有优先级仲裁机制，用于优先发送高优先级的数据包至所述至少一个光模块3，实现采用CAN与各个光模块3通信数据。在本发明的其他实施例中，CAN总线可以用工业以太网总线(EtherCAT)替换。所述急停信号线用于当至少一个光模块异常时传送电平急停信号，使得所有光模块3及激光器控制板1a同时检测到所述电平急停信号。所述功率模拟信号线用于传送功率模拟量。当激光器控制板1a检测到所述电平急停信号时输出关闭信号至对应的异常光模块以关闭对应的异常光模块。在本实施例中，所述电平急停信号为低电平信号，通过电平急停信号判断是否有急停，这种方式不同于总线数据帧的传输方式，数据帧的长度及数据帧的周期性循环会有一定的延时，而本实施例中直接通过判断高低电平信号，延时很小，出现异常情况紧停可立即通过激光器控制板1a输出关闭信号关闭外部光模块，响应速度很快，避免烧损外部光模块。

在本实施例中，上位机2与激光器控制板1a采用通用以太网通信，100M通信波特率，上位机2可以大批量读写激光器控制板1a的数据，因此，上位机2读写激光器控制板1a数据能够满足通信速率及数据容量的需求。激光器控制板1a运行实时操作系统，网络协议采用TCP/IP协议，便于上位机2通过网络远程监控光模块的运行状态。

在本实施例中，激光器控制板1a配置SD卡接口，SD卡54a插接至所述SD卡接口。所述实时操作系统运行时的报警日志记录信息存储在SD卡54a中，在需要查看报警日志记录信息时，可以将SD卡54a下来，插接在其他办公电脑上查看，也可以通过上位机2界面或者互联网远程查看。SD卡54a采用Micro SD卡，可存储大容量数据，满足用户的数据存储需求。上位机2还用于读取SD卡54a保存的实时操作系统的报警日志记录信息。

综上所述，本申请公开了一种激光器控制板，由网络接口连接外部上位机，同时通过PHY芯片连接微控制器，使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信；光模块接口，通过CAN芯片电连接于所述微控制器，用于接入外部光模块，使得所述微控制器传送数据至所述外部光模块；SD卡，电连接于所述微控制器，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息，从而外部上位机与微控制器通过通用以太网通信，使得上位机可以大批量读写微控制器数据，且SD卡可存储大容量数据，满足用户的数据存储需求。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光器控制板，其特征在于，包括：

微控制器，内含网络控制器，用于运行实时操作系统；

存储器，电连接于所述微控制器，用于存储所述实时操作系统；

网络接口，通过PHY芯片电连接于所述微控制器，用于连接外部上位机，以使得所述微控制器通过所述网络控制器与所述外部上位机通信；

光模块接口，通过CAN芯片电连接于所述微控制器，用于接入外部光模块，使得所述微控制器传送数据至所述外部光模块；

存储卡，电连接于所述微控制器，用于保存所述实时操作系统的报警日志记录信息；

差分芯片，电连接于所述光模块接口，用于当所述外部光模块异常时输出电平急停信号；当外部光模块在没有发生异常急停时，设置所述差分芯片为输入；当外部光模块出现急停情况时，设置所述差分芯片为输出，并将电平置为低电平，输出所述电平急停信号；

可编程逻辑器件，电连接于所述差分芯片，用于接收到所述电平急停信号时，输出关闭信号至所述外部光模块；还通过FMC总线电连接于所述微控制器，使得所述微控制器通过所述FMC总线读写所述可编程逻辑器件的内部数据。

2.根据权利要求1所述的激光器控制板，其特征在于，所述光模块接口通过CAN总线连接于所述CAN芯片，所述CAN总线设置优先级仲裁机制，以优先发送高优先级的数据至所述外部光模块。

3.根据权利要求1所述的激光器控制板，其特征在于，还包括：

光耦输入单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于采集外部PWM信号并输出所述外部光模块的PWM激光信号；

AD输入单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于接收外部传感器采集的模拟量信号。

4.根据权利要求1所述的激光器控制板，其特征在于，还包括：

DA输出单元，电连接于所述可编程逻辑器件，用于输出功率控制模拟量；

模拟量输入单元，用于采集外部功率控制模拟量；

模拟开关，电连接于所述DA输出单元、所述模拟量输入单元以及所述光模块接口，用于选择功率控制模拟量，当所述模拟开关接通所述DA输出单元与所述光模块接口时，选择内部功率模拟量控制所述外部光模块的输出功率；当所述模拟开关接通所述模拟量输入单元与所述光模块接口时，选择外部功率模拟量控制所述外部光模块的输出功率。

5.根据权利要求1所述的激光器控制板，其特征在于，还包括：

数字I/O口，电连接于所述可编程逻辑器件，用于接收外部数字量信号至所述可编程逻辑器或输出所述可编程逻辑器件的数字量信号。

6.根据权利要求1所述的激光器控制板，其特征在于，

所述可编程逻辑器件为FPGA芯片或CPLD芯片。

7.一种激光器控制系统，其特征在于，包括：

至少一个光模块，每个光模块通过总线并联连接，用于输出预设功率的激光能量，多个光模块输出的激光能量通过合束方法集合为一束激光；

如权利要求1-6任意一项所述的激光器控制板，通过总线电连接于所述至少一个光模块，用于传送数据至所述至少一个光模块，还用于控制所述至少一个光模块的运行；

上位机，通过以太网连接于所述激光器控制板，用于监控所述至少一个光模块的运行状态及读写所述激光器控制板的数据。

8.根据权利要求7所述的激光器控制系统，其特征在于，所述总线包含CAN总线、急停信号线及功率模拟信号线；

所述CAN总线设置有优先级仲裁机制，用于优先发送高优先级的数据包至至所述至少一个光模块；

所述急停信号线用于当所述至少一个光模块异常时传送电平急停信号，使得所有所述光模块及所述激光器控制板同时检测到所述电平急停信号；当所述激光控制板检测到所述电平急停信号时输出关闭信号，以关闭对应的异常光模块；

所述功率模拟信号线用于传送功率模拟量。

9.根据权利要求7所述的激光器控制系统，其特征在于：

所述上位机还用于读取所述存储卡保存的所述实时操作系统的报警日志记录信息。

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