CN116047985A - 一种数字二维振镜的控制系统及定义控制方法 - Google Patents

一种数字二维振镜的控制系统及定义控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种数字二维振镜的控制系统及定义控制方法，涉及激光扫描技术领域，包括：单片机、差分驱动模块以及数字二维振镜；单片机通过差分驱动模块与数字二维振镜通信连接；单片机设置有四个GPIO端口；通过定义X轴方向振镜旋转的数据、Y轴方向振镜旋转数据、定义时钟信号计数的全局变量以及定义相关函数，使单片机通过四个GPIO端口模拟出XY2‑100协议的时序，并通过差分驱动模块对数字二维振镜进行控制。本发明可以根据工艺需要模拟出对数字二维振镜进行有效控制，满足控制要求，解决主控FPGA芯片价格昂贵，当前软件开发难度大，控制方式复杂难以实现的问题。

Description

一种数字二维振镜的控制系统及定义控制方法
技术领域
本发明涉及激光扫描技术领域，具体涉及一种数字二维振镜的控制系统及定义控制方法。
背景技术
激光扫描是随着激光照排机、激光打印机等的广泛应用发展起来的一项技术，激光扫描已应用到如光学医疗、图像传输等。而振镜扫描是激光扫描技术中的一种扫描方式，振镜扫描在激光打标、激光雕刻、激光跟踪、激光演示生物医学、半导体加工等领域都有广泛的应用。
振镜扫描的应用主要是基于振镜电机带动反射镜偏转，进而带动激光光束在扫描平面上移动，进行扫描。振镜扫描基于两个振镜组成振镜头，振镜电机轴上安装反射镜片，反射镜的相互配合偏转不同的角度就可以带动激光束在扫描平面上扫面出完整的图形。
对于二维图像来讲，常使用数字二维振镜扫描，这样结合数字二维振镜的聚焦光斑信息、激光光束的聚焦面信息、扫描面积信息、扫描线性度信息来进行设置扫描状态。
而为了实现二维振镜扫描进程，当前主流数字二维振镜通讯大多采用XY2-100协议，数字二维振镜控制器多采用FPGA作为主控芯片，利用FPGA并行执行的特性实现了对XY2-100协议的驱动，从而控制二维振镜的运动扫描。这种方式的缺点是主控FPGA芯片价格昂贵，主流FPGA芯片的价格较高，造成制作成本增加。而且对于FPGA的使用，需要进行针对数字二维振镜来进行程序开发，这增加了软件开发难度，而且控制方式复杂难以实现。在实际控制过程中，无法有效的定义相关参数及指令，造成数字二维振镜的控制系统可靠性不高，数字二维振镜控制的精度和效能较差，无法满足数字二维振镜的使用需求。
发明内容
本发明提供一种数字二维振镜的控制方法，方法可以降低数字二维振镜的开发使用技术难度和使用成本，便于操作使用。
系统包括：单片机、差分驱动模块以及数字二维振镜；单片机通过差分驱动模块与数字二维振镜通信连接；
单片机设置有四个GPIO端口；
其中，单片机的第一GPIO端口为XY2-100协议的SCK信号发出端；
单片机的第二GPIO端口为XY2-100协议的SYNC信号发出端；
单片机的第三GPIO端口为XY2-100协议的X-CHANNEL信号发出端；
单片机的第四GPIO端口为XY2-100协议的Y-CHANNEL信号发出端；
单片机通过四个GPIO端口模拟出XY2-100协议的时序，并通过差分驱动模块对数字二维振镜进行控制。
进一步需要说明的是，单片机采用STM32F103C8T6单片机，差分驱动模块采用AM26LS31INSR差分驱动芯片。
进一步需要说明的是，单片机的第一GPIO端口为PA0模拟SCK信号发出端，发出时钟信号；
单片机的第二GPIO端口为PA1模拟SYNC信号发出端，发出同步信号；
单片机的第三GPIO端口为PA2模拟X-CHANNEL信号发出端，发出X轴振镜数据信号；
单片机的第四GPIO端口为PA3模拟Y-CHANNEL信号发出端，发出Y轴振镜数据信号。
进一步需要说明的是，差分驱动模块接收单片机发送的四路信号，并将四路信号转换为8路驱动信号。
进一步需要说明的是，差分驱动模块四路信号转换的8路驱动信号包括：将SCK信号转换为SCK+信号和SCK-信号；
将SYNC信号转换为SYNC+信号和SYNC-信号；
将X-CHANNEL信号转换为X-CHANNEL+信号和X-CHANNEL-信号；
将Y-CHANNEL信号转换为Y-CHANNEL +信号和Y-CHANNEL -信号。
进一步需要说明的是，还包括：参数配置模块、储存器以及显示模块；
参数配置模块用于获取用户定义的振镜参数，并将定义的振镜参数传输给单片机，同时储存到储存器中；
显示模块与单片机连接，用于显示系统的运行状态信息以及数字二维振镜的运行信息。
本发明还提供一种数字二维振镜的定义控制方法，方法包括：
定义X轴方向振镜旋转的数据；
定义Y轴方向振镜旋转数据；
定义X轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组；
定义Y轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组。
进一步需要说明的是，定义中间数据数组，其中，前三位默认值，其它位初始值为0；
定义时钟信号计数的全局变量；
定义DATA_And_PARITY函数，DATA_And_PARITY函数将数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff；
定义XData的函数，XData的函数将X轴方向振镜旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组X_buff。
进一步需要说明的是，定义YData的函数，YData的函数将Y轴方向振镜需要旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组Y_buff。
进一步需要说明的是，方法中，定义Time_Sequence函数，并根据XY2-100协议时序图，使Time_Sequence函数模拟SCK和SYNC的时序，控制数字二维振镜运行；
定义Data_Send函数，Data_Send函数用来发送X轴方向和Y轴方向振镜的旋转数据。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明能够对数字二维振镜相关信息进行汇总，方便操作人员和进行定义和查阅，有效的提升数字二维振镜控制效率和便捷性。还能够对数字二维振镜相关数据高效率地收集、存储，并进行处理，基于数字二维振镜的状态以及加工状态可以实现过程监控和调整相应参数，使用多维空间描述数字二维振镜运行过程。提高对数字二维振镜控制的精度和效能，以提高对数字二维振镜的管理水平，从而实现对数字二维振镜控制全过程进行监督、管理，并使控制具有及时性和科学性。
本发明的方法使数字二维振镜的控制系统功能更加稳定，降低数字二维振镜的运行成本。降低数字二维振镜的控制系统开发难度，保证了数字二维振镜的控制系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为数字二维振镜的控制系统示意图；
图2为本发明的时序图。
具体实施方式
图1是本发明提供数字二维振镜的控制系统图示，图1仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的模块而非按照实际实施时的模块数目及功能，其实际实施时各模块的功能、数量及作用可为一种随意的改变，且其模块的功能和用途也可能更为复杂。
数字二维振镜的控制系统中既有硬件层面的技术也有软件层面的技术。数字二维振镜的控制系统的硬件基础技术一般包括如传感器、专用智能芯片、分布式存储、大数据处理技术、操作/交互系统、机电一体化等技术。控制系统的软件技术主要包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机上执行。
本发明涉及的数字二维振镜的控制系统利用单片机控制技术，通过建立宏定义模型，利用传感器监控、数据传输等技术，实现数字二维振镜的实时交互控制，进而有效的控制数字二维振镜运行，还可以利用单片机控制技术可以有效地监控数字二维振镜的实时状态。
本发明涉及的数字二维振镜的控制系统可以应用于激光打标、医疗美容、激光清洗、激光焊接、精密切割和科研军事等多个领域。在应用的领域中，将数字二维振镜的控制系统配置到相应的设备中，设备是一种能够按照事先设定或存储的指令，自动进行数值计算和/或信息处理的设备，其硬件包括但不限于单片机、微处理器、专用集成电路(Application SpecificIntegratedCircuit，ASIC)、可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)、数字处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、嵌入式设备等。
设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、虚拟专用网络(VirtualPrivateNetwork，VPN)等。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明从降低数字二维振镜的开发使用技术难度来讲，系统包括：单片机、差分驱动模块以及数字二维振镜，其中，使用单片机的四个GPIO端口分别对应XY2-100协议的SCK、SYNC、X-CHANNEL、Y-CHANNEL，然后用C语言程序软件模拟出XY2-100协议的时序，单片机根据软件模拟出的协议对数字二维振镜进行控制。
作为本发明的一种实施例，单片机采用ST公司的STM32F103C8T6单片机（也可以使用其它厂家或它型号单片机），本发明使用单片机的主频为72MHZ，如果想增加振镜的扫描频率的话，可以选用更高主频的单片机。
单片机具有四个GPIO端口，PA0、PA1、PA2、PA3（也可以使用其它GPIO端口），配置为推挽输出模式。其中，PA0模拟SCK信号,即时钟信号。PA1模拟SYNC信号，即同步信号。PA2模拟X-CHANNEL信号，即X轴振镜数据信号。PA3模拟Y-CHANNEL信号，即Y轴振镜数据信号。
单片机通过四个GPIO端口模拟出XY2-100协议的时序，并通过差分驱动模块对数字二维振镜进行控制。
差分驱动模块采用AM26LS31INSR差分驱动芯片，这样，四路信号经过AM26LS31INSR差分驱动芯片，转换为8路驱动信号。具体如下表所示：
经转换后的8路差分信号与数字二维振镜控制信号相连。
对于本发明的时序图来讲，如图2所示，是根据XY2-100协议，形成SCK、SYNC、X-CHANNEL、Y-CHANNEL这4个信号的时序图。
示例性的讲，4个信号的高电平为3.3V，低电平为0V。X/Y-CHANNEL信号说明：
比如，D00到D15为传输数据的二进制表示，振镜的旋转角度为±12°，则数据0对应-12°，数据65535对应+12°。这里的P为校验位，这里是偶校验。
本发明的实施例中，为了方便用户对数字二维振镜控制参数的定义以及相应控制函数进行配置，系统还包括：参数配置模块、储存器以及显示模块；
参数配置模块用于获取用户定义的振镜参数，并将定义的振镜参数传输给单片机，同时储存到储存器中；
显示模块与单片机连接，用于显示系统的运行状态信息以及数字二维振镜的运行信息。参数配置模块可以采用键盘或鼠标，还可以将参数配置模块和显示模块配置为一个触摸屏。
本发明的系统在接收用户的配置信息和定义函数之后，对配置信息和定义函数进行归档存储；还可以基于用户的配置以及系统的运行状态实时对数字二维振镜状态进行更新。
系统还配置控制操作界面，使操作人员在系统中添加未储存，或未进行配置的相关数据；或对已储存的数据进行修改，或删除。
还基于局域网，或广域网实时向单片机发送控制信息指令，获取数字二维振镜的状态信息。还可以基于柱状图，或曲线图，或分时图显示数字二维振镜运行状态供操作人员参考使用。
这样，本发明能够对数字二维振镜相关信息进行汇总，方便操作人员和进行定义和查阅，有效的提升数字二维振镜控制效率和便捷性。还能够对数字二维振镜相关数据高效率地收集、存储，并进行处理，基于数字二维振镜的状态以及加工状态可以实现过程监控和调整相应参数，使用多维空间描述数字二维振镜运行过程。提高对数字二维振镜控制的精度和效能，以提高对数字二维振镜的管理水平，从而实现对数字二维振镜控制全过程进行监督、管理，并使控制具有及时性和科学性。
以下是本公开实施例提供的数字二维振镜的定义控制方法的实施例，该方法与上述各实施例的数字二维振镜的控制系统属于同一个发明构思，在数字二维振镜的定义控制方法的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述数字二维振镜的控制系统的实施例。
方法中，定义一个宏，具体可以通过四个信号的高低电平表示，方便后续程序简化调用。
GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET；
GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET；
GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET；
GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET；
GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET；
GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET；
GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_SET；
GPIOA, GPIO_PIN_3, GPIO_PIN_RESET。
方法还定义X轴方向振镜旋转的数据。定义Y轴方向振镜旋转数据。定义X轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组。定义Y轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组。定义一个中间数据数组，前三位默认值，其它位初始值为0。定义一个时钟信号计数的全局变量。
定义DATA_And_PARITY函数，DATA_And_PARITY函数是把数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，其中Buff数组的前三位是固定值为0、0、1。
本发明的实施例中，统计数组中元素等于1的元素个数，前面三个数有一个是1，这里初始值为1。再循环计算出传输数据对应的16位二进制数。
如果数组前面19个元素为1的个数为偶数，第20个元素的值为0。
如果数组前面19个元素为1的个数为奇数，第20个元素的值为1。
方法中，还定义XData函数，XData函数把X轴方向振镜需要旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组X_buff。
定义YData函数，YData函数把Y轴方向振镜需要旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组Y_buff。
定义Time_Sequence函数，Time_Sequence函数根据XY2-100协议时序图，来模拟SCK和SYNC的时序。
定义Data_Send函数，Data_Send函数用来发送X轴方向和Y轴方向振镜的旋转数据。
这样在单片机的主程序中，调用以上定义的函数，即可完成X轴数据和Y轴数据的发送，从而达到对数字二维振镜的控制。如果发送多组数据可以增加循环控制。也可以单独控制X轴或Y轴。
基于上述方法，使单片机对数字二维振镜的控制，如果使用主频为480MHZ的单片机可以达到与FPGA相同的运行速度。与使用FPGA控制相比，可以极大的降低成本，主流FPGA芯片的价格都在100元以上，主流单片机价格只有十几元的价格。而且本发明使用的STM32F103C8T6单片加价格是11元左右。
本发明的方法还扩大了数字二维振镜控制芯片选择范围，FPGA芯片只有ALTERA(阿尔特拉)、XILINX（赛灵思）、LATTICE（莱迪思）等不多的厂家供应。而单片机供应厂家和产品型号都要多很多。本发明的方法使数字二维振镜的控制系统功能更加稳定，降低数字二维振镜的运行成本。降低数字二维振镜的控制系统开发难度，保证了数字二维振镜的控制系统的可靠性。
本发明的数字二维振镜的控制系统及定义控制方法中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种数字二维振镜的控制系统，其特征在于，包括：单片机、差分驱动模块以及数字二维振镜；单片机通过差分驱动模块与数字二维振镜通信连接；
单片机设置有四个GPIO端口；
其中，单片机的第一GPIO端口为XY2-100协议的SCK信号发出端；
单片机的第二GPIO端口为XY2-100协议的SYNC信号发出端；
单片机的第三GPIO端口为XY2-100协议的X-CHANNEL信号发出端；
单片机的第四GPIO端口为XY2-100协议的Y-CHANNEL信号发出端；
单片机通过四个GPIO端口模拟出XY2-100协议的时序，并通过差分驱动模块对数字二维振镜进行控制。
2.根据权利要求1所述的数字二维振镜的控制系统，其特征在于，
单片机采用STM32F103C8T6单片机，差分驱动模块采用AM26LS31INSR差分驱动芯片。
3.根据权利要求2所述的数字二维振镜的控制系统，其特征在于，
单片机的第一GPIO端口为PA0模拟SCK信号发出端，发出时钟信号；
单片机的第二GPIO端口为PA1模拟SYNC信号发出端，发出同步信号；
单片机的第三GPIO端口为PA2模拟X-CHANNEL信号发出端，发出X轴振镜数据信号；
单片机的第四GPIO端口为PA3模拟Y-CHANNEL信号发出端，发出Y轴振镜数据信号。
4.根据权利要求2所述的数字二维振镜的控制系统，其特征在于，
差分驱动模块接收单片机发送的四路信号，并将四路信号转换为8路驱动信号。
5.根据权利要求4所述的数字二维振镜的控制系统，其特征在于，
差分驱动模块四路信号转换的8路驱动信号包括：将SCK信号转换为SCK+信号和SCK-信号；
将SYNC信号转换为SYNC+信号和SYNC-信号；
将X-CHANNEL信号转换为X-CHANNEL+信号和X-CHANNEL-信号；
将Y-CHANNEL信号转换为Y-CHANNEL +信号和Y-CHANNEL -信号。
6.根据权利要求1或2所述的数字二维振镜的控制系统，其特征在于，还包括：参数配置模块、储存器以及显示模块；
参数配置模块用于获取用户定义的振镜参数，并将定义的振镜参数传输给单片机，同时储存到储存器中；
显示模块与单片机连接，用于显示系统的运行状态信息以及数字二维振镜的运行信息。
7.一种数字二维振镜的定义控制方法，其特征在于，方法采用如权利要求1至6任意一项所述的数字二维振镜的控制系统；
方法包括：
定义X轴方向振镜旋转的数据；
定义Y轴方向振镜旋转数据；
定义X轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组；
定义Y轴方向振镜旋转的数据转换为需要发送数据的数组。
8.根据权利要求7所述的数字二维振镜的定义控制方法，其特征在于，方法中，定义中间数据数组，其中，前三位默认值，其它位初始值为0；
定义时钟信号计数的全局变量；
定义DATA_And_PARITY函数，DATA_And_PARITY函数将数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff；
定义XData的函数，XData的函数将X轴方向振镜旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组X_buff。
9.根据权利要求7所述的数字二维振镜的定义控制方法，其特征在于，方法中，定义YData的函数，YData的函数将Y轴方向振镜需要旋转的数据转换为20个元素的数组，放入中间数组Buff，然后再放入数组Y_buff。
10.根据权利要求7所述的数字二维振镜的定义控制方法，其特征在于，方法中，
定义Time_Sequence函数，并根据XY2-100协议时序图，使Time_Sequence函数模拟SCK和SYNC的时序，控制数字二维振镜运行；
定义Data_Send函数，Data_Send函数用来发送X轴方向和Y轴方向振镜的旋转数据。
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