一种具有USB主从双模式功能的激光三维内雕机

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明具有USB主从双模式功能的激光三维内雕机具有USB主机和USB从机两种工作模式。USB主机模式时内雕机能直接读取USB移动存储设备，如同计算机上的USB接口，只要把U盘等存储设备连接到内雕机的USB主机模式插口即可，内雕机通过读取USB移动存储设备中的加工数据完成雕刻任务，此种工作模式，内雕机不需要配置计算机(即PC主机)；USB从机模式下，内雕机是需要配置计算机的，工作方式就像通过USB连接的打印机，计算机可以控制并传输加工数据给内雕机。主机和从机两种模式是可以独立工作的，都能完成雕刻任务。

实施例

如图1所示，一种具有USB主从双模式功能的激光三维内雕机，该内雕机包括PC主机模块、USB通讯模块、大容量数据存储模块、扫描振镜控制模块、三维加工机床控制模块、激光器控制模块、人机交互模块和内雕机主控制器，所述的内雕机主控制器分别连接USB通讯模块、大容量数据存储模块、扫描振镜控制模块、三维加工机床控制模块、激光器控制模块和人机交互模块。

其中各主要模块通过以下方式实现：

(1)USB通讯模块，全速USB接口，兼容USB V2.0，由AVR单片机和USB接口芯片构成。AVR单片机和USB接口芯片之间具有独立的8位数据总线，USB接口芯片的读、写、片选控制线以及中断输出由AVR单片机直接控制，可方便地挂接到单片机系统总线上，接口芯片的外围电路主要包括晶振电路，这种方法使得硬件电路设计简单。USB通讯模块具有两个独立的USB插口，分别支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式，内雕机的主控制器通过USB插口的Vbus信号判断设备工作模式。

(2)大容量数据存储模块即外扩数据存储器，本模块选用SRAM存储器作为内雕机的数据缓冲区，在USB-Device模式下存储PC机传输到下位机的加工数据，在USB-Host模式下存储内雕机读取的USB移动存储设备中的加工数据，加工数据的存储按照块、面、点逐次递进的结构进行存储。

(3)扫描振镜控制模块，是由具有2通道双极性12位精度的D/A转换器和振镜驱动电路构成，经对数据存储器中的加工数据运算后，D/A转换器输出模拟电压信号分别控制扫描振镜的X轴、Y轴，以此实现激光的平面场扫描，扫描场几何畸变误差采用软件校正。

(4)三维加工机床控制模块，包括三维加工机床，X、Y、Z三路步进电机及其驱动电路，限位电路组成，内雕机主控制器通过驱动X、Y、Z三路步进电机运转带动三维加工机床运动，其中X、Y轴实现雕刻图像块的定位，Z轴实现雕刻图像层的定位，以此带动内雕机的光学系统实现大面幅图像的雕刻。

(5)人机交互模块，由功能按键和LCD显示屏构成，功能键连接内雕机主控制器，采用的是翻页菜单的形式，能循环切换控制菜单，控制功能通过内雕机主控制器的中断实现，LCD显示屏通过显示电路连接内雕机主控制器，显示设备的工作状态或者按键菜单的切换，实现设备的人机交互。

内雕机通过USB通讯模块获得加工数据，转存于大容量数据存储模块中，内雕机主控制器读取大容量数据存储模块并对其数据进行分析运算，通过步进电机驱动三维运动加工平台到相应加工位置，然后通过D/A转换电路输出控制扫描振镜X、Y轴的模拟电压，以此控制激光束的运动，使激光束聚焦于加工器件内完成三维内雕刻任务。

图2～图5是内雕机主要模块的电路连接图，下面结合电路图作详细说明：

(1)图2是USB通讯控制模块电路图，主要由内雕机主控制器U1和USB接口芯片U2构成。U1选用Atmel公司的AVR系列单片机，图中以ATmega128单片机为例，它是高性能、低功耗增强型AVR RISC结构的8位高档单片机，芯片核心采用哈佛结构，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，这种结构能大大提高代码效率，并且具有比普通的复杂指令集(CISC)微处理器高10倍的数据吞吐率。ATmega128具有128K字节的系统内可编程Flash(具有RWW功能)，这使得程序设计时不会受到程序存储空间的限制，并且无需扩展程序存储器，ATmega128可通过SPI实现系统内编程，程序的烧录简单可靠。具有53个可编程通用I/O口线，各引脚均可独立地配置输入输出方向，无需扩展I/O接口，使电路设计更为简便，除此之外，ATmega128还具有可工作于主机/从机模式的全双工，3线同步数据传输的SPI串行接口，方便与外围扩展芯片的数据通讯。U2选用的是CH375芯片，支持USB主从机两种模式，在Device模式下兼容CH372芯片。图2所示电路图能够方便的利用一块CH375实现USB-HOST和USB-DEVICE主从两种USB通讯模式，主从模式是由内雕机主控制器ATmega128决定的，接口JP1用于连接USB设备(如U盘)，端口JP2用于连接PC机，二者不能同时使用。空闲情况下，INT1为低电平，ATmega128使CH375工作于主模式，当有USB设备插入JP1时CH375会自动通知单片机作相应处理；当端口JP2连接到PC机的USB端口时，PC机的USB提供5V电源使INT1为高电平，ATmega128使CH375切换到从模式。CH375的TXD引脚通过1KΩ的下拉电阻接地，使CH375工作于并口方式，CH375的8位并行数据线(D0-D7)连接到ATmega128的PA端口，实现数据的并行传输。1位地址线(A0)用来区分写命令或读写数据，CS#是CH375的片选控制输入，RD#和WR#分别为读写选通输入，这些引脚可通过ATmega128的任意I/O口控制，本发明中通过ATmega128的PB4-PB7控制。CH375的INT#引脚与ATmega128的INT0相连来提供中断信号，由于CH375内部不提供时钟信号，所以需要外接晶振，USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，Y21的频率是12MHz±0.4‰，C25和C26是容量约为15pF的独石或高频瓷片电容。为使CH375可靠复位，电源电压从0V上升到5V的上升时间应该少于100ms。如果电源上电过程较慢并且电源断电后不能及时放电，那么CH375将不能可靠复位。所以在RSTI引脚与VCC之间跨接了一个容量为0.47uF的电容C27延长复位时间。

(2)内雕机的扩展数据存储器由U3实现，电路连接如图3所示，U3选用的是TI公司的SRAM存储芯片BQ4017，其容量是16Mb，+5V供电，BQ4017内部具有电压监控电路和锂电池，当VCC引脚电压低于4.62V时，内部控制电路对SRAM采取写保护以此来保护内部数据，当VCC引脚电压低于3V时，芯片切换到锂电池供电，因此在断电后，加工数据不会丢失。BQ4017具有快速的读写速度(70ns)，无擦写次数限制等特点，能够适合内雕机高速加工的需求。BQ4017具有21条地址总线，8位数据总线以及读、写、片选等引脚，可以方便的与AVR单片机连接。本发明中BQ4017的地址总线由ATmega128单片机PC、PF和PG端口控制，存储器与内雕机主控制器的数据读写通过PE端口实现。

(3)图4所示中的U4为MAX5322D/A转换芯片，实现D/A转换功能，经ATmega128控制输出振镜调节需求的电压信号。MAX5322是双通道双极性12位串行接口数模转换器，拥有一个快速的10MHz SPI^TM/QSPI^TM/MICROWIRE^TM兼容串行接口，采用±12V至±15V模拟电源电压供电，可提供双极性±5V至±10V输出，由于扫描振镜驱动器所需控制电压为-5V至+5V之间的模拟电压，所以MAX5322的A、B两路参考电压REFA、REFB接+2.5V，MAX5322具有极佳的线性度，积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL)为±1LSB(最大)，0.5LSB建立时间只有10us，装载DAC(/LDAC)输入可以对输出进行异步刷新。MAX5322串行数据输入引脚DIN连接ATmega128SPI接口的数据输出引脚MOSI，串行时钟输出引脚SCK为MAX5322提供时钟基准，MAX5322的片选引脚可以和AVR单片机的任一I/O口相连，在本发明中为PD4，MAX5322的两路模拟电压输出分别连接到X、Y轴振镜驱动电路。

(4)图4中的MD1、MD2、MD3是控制内雕机三维运动平台的步进电机驱动器，通过控制输入脉冲数量，频率及电机各相绕组的接通顺序，可以得到各种需要的运动特性。在本发明中ATmega128的PB0端口用来输出脉冲以及控制脉冲数量，PB1控制步进电机的运转方向，PB2和PB3则连接加工机床的限位电路，PD5、PD6、PD7分别作为X、Y、Z轴的使能接口。内雕机工作时首先由PD5、PD6使能X、Y路步进电机，使机床运动到相应的加工块位置，在每块图像雕刻过程中逐步提升Z轴完成每层图像的雕刻。

(5)图5左边是按键控制电路，S_i1连接AVR单片机的RESET引脚，实现内雕机系统的复位功能，S_i2连接AVR单片机的INT2引脚，通过中断实现功能菜单的顺序切换，S_i3连接AVR单片机的INT3引脚，实现功能确认。图5右边电路为LCD显示屏电路，该显示模块的8位数据总线可直接挂接到单片机总线上，使能、读写等引脚也由单片机控制。

图6是本发明的固件程序流程，首先内雕机通过USB总线的信号确定设备的工作模式，然后对USB接口芯片CH375初始化，使其工作于USB-Host模式或者USB-Device模式。如果为Host模式，首先需要查询是否有U盘插入，U盘成功连接后，系统搜索可用的加工文件并打开文件，通过调用CH375FileQuery()查询当前文件信息，根据文件长度等信息完成相应的数据读取操作，并且把数据转存到内雕机的数据存储器中。如果工作于Device模式，设备完成USB枚举后，等待上位机的数据发送，当有数据发送时同样要把数据转存到内雕机的数据存储器。加工数据成功存储于内雕机的数据存储器后，设备等待开始加工信号，当系统接收到加工指令后，从扩展数据存储器中读取加工数据，并对数据进行运算，以确定工作平台的位置，然后控制步进电机作相应的运动，并控制D/A转换器输出相应的模拟电压信号来控制扫描振镜的旋转角度，然后控制激光器对加工器件进行加工。如此循环，直到整个器件加工完毕。如果需要加工多个器件，则只需通过按键给系统一个开始加工信号即可，或者在初始化时设定加工件数。