1硬件部分
系统拥有两路高精度和4路较高精度的A/D输入；4路D/A输出；液晶触摸屏的接口；以及一些PWM控制输出和开关量的输出，以太网口，JTAG，RS232接口等。
1.1主处理器的选型
考虑到嵌入式微处理器的自带资源。如果嵌入式微处理器自身所带的资源丰富，功能强大，就可以减少其他芯片的使用数量，从而增加了系统的可靠性，降低了产品的成本，而且产品的开发也会相对简单，开发周期缩短。对激光打标机研究它的应用领域，分析打标机系统所使用的微处理器所要承受的工作条件和工作环境，对适合激光打标机系统的芯片种类中，结合它的处理速度和温度等级外，再考虑到嵌入式微处理器的外围电路设计形式，根据实际应用要求，选择使用OMAP-L138芯片，减少了开发周期。
1.2系统的电源模块
1.2.1基本标准电压输入
激光打标机的主系统板使用的电源类型有：12V，+15V，-15V，+5V，+3.3V。其中+12V是LCD的驱动电源，+15V，-15V作为AD转换器和DA转换器的参考电压，保证了输入和输出电压值的一个范围。
1.2.2电平（+3.3V与+5V）之间的相互转换
本设计中电平转换使用了两种方法，即直接芯片转换和与门控制电路。板级设计中，符合基本的逻辑电平标准，但是整个系统的电源峰值不同，一些芯片的工作电压和耐压值的上限电压都受到电压幅值的限制。为了实现电平+3.3V与+5V之间的转换，采用了4片SN74AVC8T245电平转换芯片，SN74AVC8T245是具有电压转换和三态输出的8位双电源的总线收发器，应用在本设计中，对FPGA和AD之间的电压要求不同，片选信号CS，复位信号RESET等都要进行电平转换处理。为了减少板级空间，另外一种方法是与门电平控制方式，利用标准逻辑电平的输入，在与门控制输出结果时，电路输出的是与门的供电电压，这样的设计，对于数量不多的电平转换接口电路，简洁可靠，而且节约了设计成本。
1.3辅助处理器FPGA
设计中引入辅助处理器FPGA是由于OMAP-L138+FPGA的架构增加了数据的处理速度和准确性。Actel公司的FPGA是基于flash结构的，这种FPGA不需要外接配置存储器，而且可以重复编程。在程序调试阶段，采用JTAG模式对FPGA中的flash进行编程，掉电后编程信息不会丢失，使用中若是更改设计，只需要擦除flash，再重新对它编程。
1.4稳定的电压参考源
DA转换器输出的模拟量作为控制量来控制激光打标机振镜的路径，需要有精确的模拟量输出，因此需要参考电源的稳定性，减少其纹波，有效抑制各种电压的抖动，这里利用了参考电压与运算放大器电路相结合的方法：第一步，使用参考电压芯片REF102输出稳定的+10V电压，此电压值再利用高精度，低温漂的运算放大器搭建的反相放大电路产生-10V电压。第二步，搭建如图2所示的电路，利用运算放大器组成降噪滤波器+10V和-10V参考输出。此滤波器设计的好处是：在高频率驱动动态负载时输出阻抗低；过滤电压噪声；并且能够驱动较大的容性负载。产生的参考电压（VREFL，VREFH）与DA参考电压输入端相连，保证参考电压的抖动降到最小。同理，我们也在AD转换器的参考电压输入端设计了类似电路，这样的设计以较小的IC数量达到了较好的效果。
1.5A/D与D/A接口电路
A/D与D/A的时钟由FPGA的GPIO提供，为了具有较高精度的数据输出与数据输入，本设计选用了TI公司的A/D与D/A的芯片ADS8556与DAC7744。2.5.1高精度A/D:ADS8556和DAC7744TADS8556是6路的16位ADC，具有真正的双极输入。每路包含了取样保持电路，允许进行高速多路信号采集。工作电压高达±12V，这样就使得整个输入的电压范围较宽，配合上这块芯片的位数高，极好的信噪比，因此对激光打标位置控制的范围较大，并且精确。2.5.2高精度D/A：DAC7744DAC7744是16位、四路电压输出的DAC。是在指定温度范围内保证16位性能的转换器。它接受16位并行输入数据，具有双重缓冲DAC输入逻辑（允许同时更新所有DAC），并提供了一个内部输入寄存器回读模式。可编程异步重置清除所有寄存器到中间地址8000H或初始值0000H。DAC7744可单极性（+15V）电源运行，或+15V，-15V的双极性电源运行。设计中采用了双极性供电，和ADS8556类似，较高的电压范围保证了打标位置的可控范围广，精度高。此外，DAC7744的特色是在精度高和功耗低是其他DA转换器无法达到的。2.5.312位A/D转换器ADS7842对于激光打标机工作环境的一些变量的测量，不需要精确很高的A/D，ADS7842从性价比和设计要求上都符合了本设计的要求。ADS7842它是一个四通道的模拟数字转换器，可以和主处理器采用并行接口，在采样率不高的（如200kHz）下，功耗只有几毫瓦，对低功耗允许多路采样的设计要求，非常适合在本电路中使用。为了保证输入A/D端的电压信号可靠，在A/D的各个输入端加入了跟随器电路，电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，这就使得前、后级电路之间互不影响。
1.6触摸屏与TFT-LCD的处理
LCD显示控制芯片使用TI公司的SN75LVDS83A。SN75LVDS83A直接与1.8V供电处理器连接的LVDS串行器。SN75LVDS83A采用TIFlatLink技术，不需要使用1.8V及2.5V逻辑接口电平转换器，可直接连接至3.3V的TTL电平。TSC2046是4线制触摸屏控制器，当与触摸屏连用，触摸在屏上时，即可迅速得到该点的位置信号以达到在触摸屏表面寻址的目的。硬件设计上使用的是SPI通信方式读取相应的数据，触摸屏被点击后，TSC2046开始工作经过片内的6通道选择器选择后，方可进入模拟量输入通道进行转换．确定触摸屏点击点的X、Y坐标参数。当要测量X坐标时，首先通过写控制字到触摸屏控制器，使得在X+和X-上施加一个确定的电压。而Y+和Y-上不加电压，则X+和X-之间就会形成均匀连续的平行电压场。当用手指或触摸笔触及触摸屏表面时，触点处的电压反映了触点在X工作面上的位置。
1.7RS232通信接口电路及以太网接口
以太网的接口电路使用了信号变换器H1102来增加驱动能力，这样就支持了控制远距离的网线接口。RS232是系统与PC机间的通信，典型的RS232信号是负逻辑信号电平。由于使用线路少、成本低，RS232适合本地设备之间的通信，在调试阶段对数据进行分析。通信电平转换芯片ADM3202是高速、双通道的接口器件，采用+3.3V单电源供电。具有低功耗和关断特性。
2系统抗干扰性能测试
在设计控制器电路板时分为两部分，一部分是以OMAP-L138处理器为核心的最小系统电路，这部分硬件电路采用了OMAP-L138-SEED的最小系统板，另一部分是辅助处理器最小系统和扩展电路，采用的四层板设计，两部分电路经过多排针连接成为一个整体。激光打标机系统工作在一个比较恶劣的工业环境中，除了单纯的硬件抗干扰设计，有时还需要采用硬件和软件结合来实现抗干扰，提高嵌入式系统的可靠性和稳定性。图3给出了A/D，D/A的参考电压在电压输入不稳定的情况下的纹波，分别为12mV和10mV，抗干扰措施比较理想。
3结语
本文设计的激光打标机系统，根据位置的精确采集和反馈，通过对振镜输出控制以及激光器的强弱控制，配合通信接口与触摸屏的人机设置进行实时数据更新，显示基本操作参数。整个系统成本较低，功能丰富，根据需求还可在模块上配置一些无线的外围模块，方便车间多台打标机的协调工作，在本设计基础上，对硬件、软件稍作修改就能完成对设备的远程控制。
作者：蓝晓柯 陈朋 龚泽挚 汝岩 单位：浙江工业大学 信息工程学院
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