CN115905070B - 一种激光器控制接口的适配方法、适配装置和可存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器控制接口的适配方法、适配装置和可存储介质，其中适配方法应用于激光器控制接口的适配装置，激光器控制接口的适配装置包括适配卡，适配方法包括选取与激光器对应的适配卡，其中适配卡并具备唯一类型编码，适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，适配卡的接口一的每个端子可定义，且将接口一与接口二进行硬件层适配。修改适配卡的属性参数，每个适配卡的属性参数生成一个与之对应的配置文件；初始化适配卡，当适配卡与打标控制卡和激光器连接时，进行适配卡检测并加载对应的配置文件。将打标控制卡的指令进行标准化处理形成最小指令集。实现对各种激光器的灵活适配。

Description

一种激光器控制接口的适配方法、适配装置和可存储介质

技术领域

本发明涉及工业激光器控制接口设计领域，尤其涉及一种激光器控制接口的适配方法、适配装置和可存储介质。

背景技术

工业激光器广泛应用于标记、切割、焊接、清洗等领域。工业激光器从上世纪90年代以后的30多年时间里发展迅速，新技术和新的激光器厂家层出不穷。也正因为新产品迭代速度快，各厂家在产品标准化方面普遍比较薄弱，这主要是因为在市场旺盛需求和竞争压力下，厂家主要精力和研发资源都放在提高激光器的功率、转化效率、光束质量等产品核心竞争力上，而电控和接口往往在初期设计仓促，后期又来不及修改。而激光行业属于新兴产业，各个厂家由于面临直接竞争，也很难合作制定出对各方企业均有利的标准。行业协会或第三方组织也尚未具备足够影响力，来出面统一接口的软硬件层次的标准。因此打标控制卡的激光器接口和不同类型的激光器的兼容性，仍是一个有待解决的问题。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种激光器控制接口的适配方法，实现对各种激光器的灵活适配。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种激光器控制接口的适配方法，应用于激光器控制接口的适配装置，所述激光器控制接口的适配装置包括适配卡，所述适配方法包括选取与激光器对应的适配卡，其中所述适配卡采用标准化设计并具备唯一类型编码，所述适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，所述适配卡的接口一的每个端子可定义，且将所述接口一与接口二进行硬件层适配；修改适配卡的属性参数，每个适配卡的属性参数生成一个与之对应的配置文件；初始化适配卡，当所述适配卡与打标控制卡和激光器连接时，进行适配卡检测并加载对应的配置文件；将打标控制卡的指令进行标准化处理形成最小指令集，打标控制卡和激光器通过适配卡传输标准化的最小指令集。

本发明的有益效果在于：充分发挥软件设计的灵活性，可配置IO的设计出发点，可定义适配卡的接口一和接口二的端子，并对适配卡的电压范围、复用模式、输入输出方向等属性参数配置。并在信号传输时，只需加载不同适配卡的配置文件，就完成工作模式的切换。而当需要增加新的模式时，也仅需生成新的配置信息，大大提高工作效率，降低开发成本。

进一步来说，所述接口一与打标控制卡连接，所述接口一能够对电源、地、数字量信号、模拟量信号、通讯信号进行传输。按照统计，激光器接口可简单分类为电源、地、数字量信号、模拟量信号、通讯信号5个类别，接口一只做激光器硬件层面的适配，即包含激光器控制必须的信号类型和硬件属性。

进一步来说，所述接口二与激光器连接，所述接口一与接口二进行硬件层适配的适配方式直连、驱动适配连接和IO扩展连接。接口二与激光器上的接口连接，但不同种类的激光器的接口协议是不同的，因此对应不同的激光器，设置不同的适配卡，每种适配卡完成接口一与对应接口二的适配。直连为最简单的形式，即通过导线直连接口一和接口二之间的某一路信号。驱动适配连接需要连接的信号两端具有相同的信号类型，但是电压范围，单端差分等电气特性存在差异，适配卡电路包括完成信号转换的转换驱动电路。当接口一和接口二之间不仅电气特性，信号类型也不匹配或没有足够的端口资源时，两者之间需要通过IO扩展连接。

进一步来说，所述适配卡电路还包括一个IC芯片，所述接口一和接口二之间通过IC芯片扩展硬件资源。

进一步来说，所述IC芯片为I2C总线IO扩展芯片、MCU、FPGA中的一种。

进一步来说，所述修改适配卡的属性参数包括修改适配卡的电压范围、接口复用模式和接口输入输出方向配置。通常硬件（适配卡的接口）参数是比较固定的，比如信号的电压范围、可驱动的电流、信号是数字量还是模拟量，属于输入还是输出。而软件是相对比较灵活的，代码实际上是可存储介质上的数字信息，可以被反复的修改。因此软件可配置IO的设计出发点，就是将适配卡的接口一和接口二的参数变成可软件定义，并进行参数修改，主要是修改电压范围、接口分复用模式和接口的输入输出方向等配置。

进一步来说，所述初始化适配卡，当所述适配卡与打标控制卡和激光器连接时，进行适配卡检测并加载对应的配置文件具体包括，

查询适配卡是否连接，当判断适配卡连接时，进行下一步，否则中断；

查询适配卡类型编码，并根据查询编码加载对应的配置文件；

适配卡自检，测试适配卡的信号闭环部分，判断当前信号状态是否合法，当当前信号合法时，进行下一步，否则中断；

激光器自检，检测激光器反馈信号，确认激光器处于正常待机状态；

检测合格，进入就绪状态。

进一步来说，所述最小指令集包括基础命令和扩展指令，所述基础命令包含激光器的开关光、激光器功率调整、激光器状态查询、激光器错误反馈、错误清除，所述扩展指令包括脉冲类型设置、功率波形曲线。准化的最小指令集已经屏蔽了硬件的复杂性，如运转功率指令，只需要一条指令，具体的激光器适配由工作模式决定。

本发明还公开了一种激光器控制接口的适配装置，包括适配卡，所述适配卡采用标准化设计并具备可被读取的唯一类型编码，所述适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，所述适配卡的接口一的每个端子可定义，且将所述接口一与接口二进行硬件层适配，所述适配卡的属性参数修改可被修改，并将修改的属性参数生成一个与之对应的配置文件。

适配卡将不兼容硬件缩小到最简的状态，从而实现基础硬件可以大批量复制，兼容性接口硬件成本最低的效果。

本发明还公开一种可存储介质，所述可存储介质上存储有指令，执行指令被处理器执行时用于实现上述的激光器控制接口的适配方法。

附图说明

图1为本发明实施例中一种激光器控制接口的灵活适配方法的流程图一；

图2为本发明实施例中一种激光器控制接口的灵活适配方法的流程图二；

图3为本发明实施例中适配卡的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的一种激光器控制接口的灵活适配方法，归纳了市场上已有激光器的接口定义，然后分析各家激光器的接口的差异，以合并功能同类项的方式对硬件进行简化，设计出对应的适配卡，同时优化软件设计，使得主控制器可以更为智能的对硬件进行一定程度的识别、诊断和适配。参见附图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、设计标准化的适配卡，适配卡采用标准化设计并具备唯一类型编码。对适配卡进行标准化设计，标准化的适配卡与打标控制卡和激光器连接，类型编码可以被读取和识别。

适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，接口一与打标控制卡通信连接，接口二与激光器通信连接。其中接口一有一套固定不变的定义，适配卡电路可设计成为可相互替换的小板。

在本实施例中，在适配卡上定义一个52管脚的双排插头。管脚分为两组，一组26管脚作为接口一，另一组25管脚一对一连接DB25插座，为接口二。因为激光器也多使用DB25并行接口，因此将接口二连接DB25插座。适配卡使用一个52管脚的连接器与打标控制卡连接。连接器选用miniPCIE插座的方式。当然具体实现的插座管脚数以满足接口适配为准，不是唯一限定条件，连接器的具体实现也可以是其他形态插座，本实施例中以miniPCIE插座为说明。

步骤二、定义适配卡上的接口一的每个端子的信号，接口一独立于各种激光器的接口的定义。接口一只做激光器硬件层面的适配，即接口一包含激光器控制必须的信号类型和硬件属性。

按照统计，激光器的接口可简单分类为电源、地、数字量信号、模拟量信号、通讯信号5个类别，因此接口一需要能够对电源、地、数字量信号、模拟量信号、通讯信号5个类别信号进行传输。

在本实施例中，26管脚的接口一定义如下表1。

表1

参见表1，接口一采用多路DAC输出与ADC反馈。激光器的功率控制信号，也被定义成多种形式，有采用PWM占空比控制的，有使用并行编码信号的，也有采用模拟电压进行控制的。此处预留的多路DAC即可满足模拟电压控制方式，同时多路ADC既可以采集DAC的输出，形成反馈闭环，也可以用于采集其他信号状态，多路设计能够提高多路模拟通道同时工作时的处理速度。

激光器采用DB25并行接口，这种接口使用并行数据线和独立的控制信号传输数据，缺点是传输距离近，易受外界干扰不可靠，数据线需要集成许多独立导线而成本昂贵。而串行总线如USB，最少仅需4条独立导线，硬件线缆成本降低。由于串行通信采用协议帧握手和校验的方式传输，能够检测出数据因外部干扰导致的数据异常。因此激光器未来以通信接口替代并行信号也是大势所趋。参见表1，接口一采用可复用通信接口，复用通信信号包括了I2C、Uart、串口、CAN总线等，涵盖了常见的通信信号格式。

步骤三、将适配卡的接口一与接口二进行硬件层适配，每种互不兼容的特定接口的激光器，均使用一种对应的适配卡。

接口二与激光器上的接口连接，但不同种类的激光器的接口协议是不同的，因此对应不同的激光器，设置不同的适配卡，每种适配卡完成接口一与对应接口二的适配。

适配方式包括直连、驱动适配连接和IO扩展连接。其中直连为最简单的形式，即通过导线直连接口一和接口二之间的某一路信号。驱动适配连接需要连接的信号两端具有相同的信号类型，但是电压范围，单端差分等电气特性存在差异，适配卡电路包括完成信号转换的转换驱动电路。当接口一和接口二之间不仅电气特性，信号类型也不匹配或没有足够的端口资源时，两者之间需要通过IO扩展连接。此时适配卡电路还包括一个IC芯片，接口一和接口二之间通过IC芯片扩展所需硬件资源。

在一个实施例中，IC芯片为I2C总线IO扩展芯片，也可采用MCU、FPGA等可编程器件。

在一个实施中，当激光器为光纤激光器时，此时适配卡为光纤激光器适配卡，光纤激光器适配卡的接口一与接口二的硬件层适配参见表2，其中功能和方向两栏主要描述接口一的定义，DB25输出一栏是接口二的端子定义，适配卡设计方式一栏主要说明适配卡对于两侧信号的连接处理，是使用直连、驱动适配、IO扩展连接哪一种设计，N/A不处理表示这种适配卡不需要此项控制卡信号。

表2

在本实施例中，光纤激光器DB25接口定义参见表3。

表3

在一个实施中，当激光器为YAG激光器时，此时适配卡为YAG激光器适配卡，YAG激光器适配卡的接口一与接口二的硬件层适配参见表4，其中功能和方向两栏主要描述接口一的定义，DB25输出一栏是接口二的定义，适配卡设计方式一栏主要说明适配卡对于两侧信号的连接处理，是使用直连、驱动适配、IO扩展哪一种设计，N/A不处理表示这种适配卡不需要此项控制卡信号。

表4

在本实施例中，为YAG激光器DB25接口定义参见表5。

表5

在一个实施中，当激光器为QCW（准连续型）激光器时，此时适配卡为QCW激光器适配卡，QCW激光器适配卡的接口一与接口二的硬件层适配参见表6，其中功能和方向两栏主要描述接口一的定义，DB25输出一栏是接口二的定义，适配卡设计方式一栏主要说明适配卡对于两侧信号的连接处理，是使用直连、驱动适配、IO扩展哪一种设计，N/A不处理表示这种适配卡不需要此项控制卡信号。

表6

在本实施例中，QCW激光器DB25接口定义参见表7。

表7

在本实施例中，IC芯片为I2C总线IO扩展芯片，因为I2C总线IO扩展芯片比较适合低速信号的扩展，在此处采用比较常见的PCF8575，PCF8575提供标准I2C通信接口和1路INT中断信号，可扩展共计16路数字量信号，可设置信号的输入和输出方向。有A0、A1、A2三路地址线，支持最多8个芯片串连。

步骤四、修改每个适配卡的属性参数，每个适配卡的属性参数生成一个配置文件。配置文件和类型编码一一对应。修改属性参数为通过软件修改每个适配卡的电压范围、接口复用模式和接口的输入输出方向等配置。

本实施例中不同的适配卡适配不同的激光器接口，因此需要明确不同适配卡的工作模式以配置硬件的状态。首先模式选择是一种软件配置数据，只要确定适配卡、接口复用模式和电压范围等硬件电路是当前唯一的工作模式。其次属性参数也可以是一种与适配卡硬件绑定的软件配置，即适配卡硬件可以给定选择信号以确定某种配置是否生效。

通常硬件（适配卡的接口）参数是比较固定的，比如信号的电压范围、可驱动的电流、信号是数字量还是模拟量，属于输入还是输出。而软件是相对比较灵活的，代码实际上是可存储介质上的数字信息，可以被反复的修改。因此软件可配置IO的设计出发点，就是将适配卡的接口一和接口二的参数变成可软件定义，并进行参数修改，主要是修改电压范围、接口分复用模式和接口的输入输出方向等配置。

激光器最初的信号电压范围主要是0-5V，后来部分高功率激光器产品，为了提高单端信号的传输距离和抗干扰能力，将信号电压范围提高到0-24V。但这两种电压范围是互不兼容的，传统设计方案需要额外的转换硬件，本实施例中可通过软件将适配卡的部分接口设计为宽压适配的方式。

接口复用模式是指，某一路信号既可以做数字量输入，也可以做模拟量输入。复用将大幅缩减硬件接口的规模。硬件层面的多种工作模式可通过软件切换。

适配卡的数字信号推挽输出驱动，推挽输出是指IO信号分别控制2个串联的N沟道和P沟道MOS管，使得信号高电平时上管打开下管截止，低电平时上管截止下管打开。这种驱动方式为多电源和接口复用技术提供了便利。

在本实施例中，光纤适配卡、YAG激光器适配卡和QCW激光器适配卡均通过打标控制卡的I2C接口均进行了IO扩展，表2、表4和表6的CH0-CH15分别对应PCF8575的16路数字信号扩展。而所有信号的配置和状态反馈均可由可存储介质通过I2C总线完成。

步骤五、适配卡的初始化，当适配卡与打标控制卡和激光器连接时，首先进行适配卡检测并加载对应的配置文件，检测合格的适配卡才能在打标控制卡和激光器之间进行信息交互。参见附图2所示，适配卡的初始化的具体流程为：

S51、查询适配卡是否连接，当判断适配卡连接时，进行步骤S52，否则中断。查询适配卡是否连接主要通过通信应答正确判断。

S52、查询适配卡类型编码，并根据查询编码加载对应的配置文件。

S53、适配卡自检，测试适配卡的信号闭环部分，判断当前信号状态是否合法，当前信号合法时，进行步骤S54，否则中断。

S54、激光器自检，检测激光器反馈信号，确认激光器处于正常待机状态。

S55、检测合格，进入就绪状态。

软件是保存在可存储介质上的信息，如果改变软件功能，均需要切换不同的可运行代码，则程序需要繁多的可执行版本。而可配置软件，是指在软件设计之初，即预留可以配置的变量，通过改变变量控制程序的执行逻辑和功能属性。对激光器接口的适配，实际上对应每种接口二即存在一种特定的工作模式，以可配置软件开发模式，能够实现一套可执行代码，只需加载不同的配置文件信息，就完成工作模式的切换。而当需要增加新的模式时，也仅需生成新的配置文件，大大提高工作效率，降低开发成本。

在本实施例中，光纤适配卡、YAG激光器适配卡和QCW激光器适配卡，将I2C地址为0的扩展IO的CH0-CH6作为适配卡类型编码。通过将这7个IO分别加上拉和下拉电阻，使其作为数字量输入信号读取时，能获得唯一的状态组合。其中光纤适配卡的编码为“0”，YAG激光器适配卡编码为“1”，QCW激光器适配卡的编码为“2”。

步骤六、将打标控制卡的指令进行标准化处理形成最小指令集，打标控制卡和激光器通过适配卡传输标准化的最小指令集。步骤三中将适配卡的接口一与接口二进行硬件层适配和步骤四中重新修改每个适配卡的属性参数均是为了在应用软件层间屏蔽硬件复杂性。因此将控制指令进行标准化处理，最小指令集包括基础命令和扩展指令。

其中基础命令包含激光器的开关光、激光器的功率调整、激光器的状态查询、激光器的错误反馈、错误清除等。扩展指令部分主要按照激光器的功能分类，如MOPA激光器的脉冲类型设置，双光束激光器的功率波形曲线等功能。

标准化的最小指令集已经屏蔽了硬件的复杂性，如运转功率指令，只需要一条指令，具体的激光器适配由工作模式决定。如光纤适配卡中，收到功率指令后，将对I2C扩展IO的CH0-CH7进行修改。YAG激光器适配卡中，如果选择的CO2激光器，则通过调整PRR信号占空比实现，如果选择的YAG激光器，则通过调整DAC1实现。QCW激光器适配卡中，通过调整DAC1和DAC2实现功率调整。用运转功率指令举例说明了标准化指令如何实现硬件无关性，其他指令的实现原理是相同的。在本身实施例中，设计的标准化的最小指令集参见表8。

表8

本实施例中的这种适配方法，充分发挥软件设计的灵活性，可配置IO的设计出发点，可定义适配卡的接口一和接口二的端子，并对适配卡的电压范围、复用模式、输入输出方向等属性参数配置。并在信号传输时，只需加载不同适配卡的配置文件，就完成工作模式的切换。而当需要增加新的模式时，也仅需生成新的配置信息，大大提高工作效率，降低开发成本。

在一个实施例中，还公开了一种激光器控制接口的适配装置，包括适配卡，参见附图3所示，所述适配卡采用标准化设计并具备可被读取的唯一类型编码，所述适配卡包括接口一1b、适配卡电路1a和接口二1c，所述适配卡的接口一1b接口为标准化接口，采用固定的管脚定义。接口二1c接口遵照各型号激光器的管脚定义， 所述适配卡对接口一1b和接口二1c接口进行硬件层适配。所述适配卡的属性参数修改可被修改，并将修改的属性参数生成一个与之对应的配置文件。

其中接口一1b与打标控制卡通信连接，接口二1c与激光器通信连接。适配卡电路1a可设计成为可相互替换的小板。将不兼容硬件缩小到最简的状态，从而实现基础硬件可以大批量复制，兼容性接口硬件成本最低的效果。

在一个实施例中，本发明还提供一种计算机可存储介质，计算机可存储介质上存储有指令，执行指令被处理器执行时用于实现激光器控制接口的灵活适配方法。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光器控制接口的适配方法，应用于激光器控制接口的适配装置，所述激光器控制接口的适配装置包括适配卡，其特征在于：所述适配方法包括，

选取与激光器对应的适配卡，其中所述适配卡采用标准化设计并具备唯一类型编码，所述适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，所述适配卡的接口一的每个端子可定义，且将所述接口一与接口二进行硬件层适配，所述接口一与接口二进行硬件层适配的适配方式包括直连、驱动适配连接和IO扩展连接；

修改适配卡的属性参数，所述修改适配卡的属性参数包括修改适配卡的电压范围、接口复用模式和接口输入输出方向配置，并根据每个适配卡的属性参数生成一个与之对应的配置文件；

初始化适配卡，当所述适配卡与打标控制卡和激光器连接时，进行适配卡检测并加载对应的配置文件；

将打标控制卡的指令进行标准化处理形成最小指令集，打标控制卡和激光器通过适配卡传输标准化的最小指令集。

2.根据权利要求1所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述接口一与打标控制卡连接，所述接口一能够对电源、地、数字量信号、模拟量信号、通讯信号进行传输。

3.根据权利要求1所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述接口二与激光器连接。

4.根据权利要求3所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述适配卡电路还包括一个IC芯片，所述接口一和接口二之间通过IC芯片扩展硬件资源。

5.根据权利要求4所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述IC芯片为I2C总线IO扩展芯片、MCU、FPGA中的一种。

6.根据权利要求1所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述初始化适配卡，当所述适配卡与打标控制卡和激光器连接时，进行适配卡检测并加载对应的配置文件具体包括，

查询适配卡是否连接，当判断适配卡连接时，进行下一步，否则中断；

查询适配卡类型编码，并根据查询编码加载对应的配置文件；

适配卡自检，测试适配卡的信号闭环部分，判断当前信号状态是否合法，当当前信号合法时，进行下一步，否则中断；

激光器自检，检测激光器反馈信号，确认激光器处于正常待机状态；

检测合格，进入就绪状态。

7.根据权利要求1所述的激光器控制接口的适配方法，其特征在于：所述最小指令集包括基础命令和扩展指令，所述基础命令包含激光器的开关光、激光器功率调整、激光器状态查询、激光器错误反馈、错误清除，所述扩展指令包括脉冲类型设置、功率波形曲线。

8.一种激光器控制接口的适配装置，其特征在于：包括适配卡，所述适配卡采用标准化设计并具备可被读取的唯一类型编码，所述适配卡包括接口一、适配卡电路和接口二，所述适配卡的接口一的每个端子可定义，为标准化接口，采用固定的管脚定义，且将所述接口一与接口二进行硬件层适配，所述接口一与接口二进行硬件层适配的适配方式包括直连、驱动适配连接和IO扩展连接，所述适配卡的属性参数可被修改，修改适配卡的属性参数包括修改适配卡的电压范围、接口复用模式和接口输入输出方向配置，并根据每个适配卡的属性参数生成一个与之对应的配置文件。

9.一种可存储介质，其特征在于：所述可存储介质上存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现权利要求1至权利要求7任意一项所述的激光器控制接口的适配方法。

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