光纖激光器接口與光纖總線傳輸技術研究及案例應用探究

吳淇（科德數控股份有限公司，遼寧大連，116600）

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光纖激光器接口與光纖總線傳輸技術研究及案例應用探究

吳淇
（科德數控股份有限公司，遼寧大連，116600）

應用Glink總線，研究了光纖總線與光纖激光器接口之間的傳輸技術，按照實時性要求使Glink子棧設備控制時序嚴格同步。在控制光纖激光器接口操作中，本文論述了光纖激光器接口模式和內容，以及光纖總線的傳輸方式，通過FPGA編程來實現其接口驅動的開發，并在數控系統中加以驗證。

固態激光器；傳輸技術；FPGA；伺服驅動系統

引言

光纖激光器（Fiber Laser）是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，光纖激光器可在光纖放大器的基礎上研發，具體方法是：在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功率密度，造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”，當適當加入正反饋回路（構成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出［1］。

目前，光纖激光器應用范圍非常廣泛，其中IPG公司是全球高功率光纖激光器和放大器的領導者，由它生產的高效光纖激光器、光纖放大器正在進行著不斷的性能革新與突破，并被廣泛應用于材料加工、通信、醫療等領域中［2］。

光纖激光器有著豐富的接口，想要完全控制激光器，就必須控制接口，這在操作上比較復雜。數控系統在通信上要求保持雙工通信，由于光纖總線協議設計為全數字連接，保證了通信傳輸的安全性和可靠性。

本文研究了以太網現場Glink總線與光纖激光器的接口問題［3］，對光纖激光器接口進行詳細的介紹，并將其特性在科德數控股份有限公司自主研發的數控系統中加以驗證。

1　光纖激光器接口

大連光洋科技集團有限公司自主研發的光纖Glink總線。它是以高實時性、高同步性為核心優勢的實時以太網現場總線［4］。Glink總線網絡層的設計中包含完善的時鐘定時基準，嚴格控制數據幀收發的時序，提高實時性的同時使Glink子棧設備的控制時序嚴格同步（同步誤差不超過±270ns）。Glink總線的物理層通訊速率達100Mbps，其傳輸介質采用多模光纖抗干擾能力強。Glink總線體系結構中不僅包含OSI參考模型中的應用層、鏈路層、物理層還包含了網絡層，這在工業現場總線中是很少見的。Glink總線突出設計了網絡層，嚴格控制數據幀收發的時序。

Glink總線與光纖激光器接口有兩種接口。

1.1“TEST”接口

此接口包含4種連接方式。

（1）手動操作

在手動操作連接方式中，如圖1所示，只通過網絡接口所用的交叉線連接到主控接口上。若使用HUB，請使用直連線。主控接口通過專用軟件連接激光器，并控制激光器。

圖1　手動操作方式連接圖

（2）激光編程

在激光編程連接方式中，連接方式與手動操作相同，見圖1，只是專業軟件應使用激光程序控制功能。

（3）外部調制

在外部調制連接方式中，如圖2所示，用戶使用專業軟件選擇外控，然后單擊軟件中“發射”按鈕后，若用戶送入24V 信號，則出激光，送入0V，則關光。

圖2　外部調制方式連接圖

（4）模擬量控制

模擬量控制連接方式，如圖3所示，首先使用PC 連接激光器，啟動專業軟件，選擇模擬量控制方式，然后按照手動操作流程啟動，并選擇模擬量控制方式。然后XP4接口設置0－10V模擬電壓來設置功率，XP2接口24V 電壓控制激光的開關。

圖3　模擬量控制連接圖

1.2“ROBOT”接口

此接口包含3種連接方式。

（1）遠程模擬量控制

專業軟件在此連接方式下，只能監視硬線控制的輸入輸出信號。其中用戶須為XP1接口提供24V（DC）（B15－24V，B16-GND），和21路24V數字輸入信號，另外應能接收激光器輸出的19路24V數字信號。同時，用戶須提供0-10V可調的模擬量輸入電源。連接如圖4所示。

圖4　遠程模擬量控制連接圖

（2）內部控制

如圖5所示，用戶須為X P 1接口提供2 4 V （DC）（ B15－24V，B16-0V）。用戶使用此方式時通過硬線接口設置內部控制，可使用專業軟件設置激光功率。

圖5　遠程內部控制模式連接圖

（3）激光編程

激光編程方式連線與圖5 相同，不同之處在于此方式下用戶是預先對激光機編好程序并用硬線控制接口信號來控制時序。

2　通信模式

2.1“TEST”—本地通信模式

（1）手動控制

在該模式下，PC 通過網口控制激光器。

（2）外部調制

如圖6所示，若工作于外部調制模式，專業軟件和XP2接口的“+4－25V”直流電壓信號必須提供。高電平－出光，低電平－關光。外部調制模式除了外部電壓信號，與手動控制模式基本相同。外部調制模式只有處于“TEST”位置有效。

（3）模擬量控制

圖6　外部調制時序圖

模擬量控制模式，“TEST”和“ROBOT”模式都可以使用，時序圖參考圖7。模擬量控制模式與外部控制模式類似，只是功率調節由XP4接口控制，而不能使用專業軟件控制。在模擬量控制模式下，外部調制信號和模擬信號都必須提供。模擬量用于設置輸出功率：0VDC 對應于0W，10VDC 對應于標稱功率。

圖7　模擬量控制時序圖

2.2“ROBOT”——遠程通信模式

（1）模擬量控制

與“TEST”中的模擬量模式方式相同。

（2）硬線控制

XP1 硬線接口是工業專用的控制接口。依據硬線接口定義，連接控制器。XP1 硬線接口只有在“ROBOT”下有效。專業軟件在該模式下具有監控功能，沒有激光器的控制功能。

如果沒有選擇程序號，則默認程序號0 激活。當A2—Program Start 設置為高電平，激光將會出光。當A3－Internal Control 激活時，功率通過專業軟件設置。若A6－Analog Control 激活，功率由模擬量控制，如圖8所示。

如果選擇程序號，則程序號1-50被激活。按照設定的程序進行控制。

圖8　程序號0-內部控制時序

3　基于激光器的接口和光纖總線在數控驅動系統中的驗證

3.1硬件平臺設計

本實驗選用大連光洋科技集團有限公司自主研發的光纖總線式全數字數控系統為主要硬件平臺。該數控系統為光纖總線開放式高檔數控系統，采用經過特殊設計制造的工業級PC、Windows系統、實時內核、軟件數控等先進技術和體系結構。圍繞繞光纖總線協議在軟硬件方面對數控系統結構進行了全新設計，采用高性能數控專用主板以及基于Glink光纖總線協議的PLC、伺服驅動器和機床鍵盤，是目前世界上高檔數控系統硬件結構最少、最先進的體系。接口設計如圖9所示，實驗中所選用光纖總線模塊為自主研發的光纖總線通信模塊，FPGA選用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，接口電平轉換模塊是選用的自主研發的PLC數字電平轉換模塊來實現。

圖9　設計框圖

本設計是數控系統通過光纖總線與激光器的接口進行連接通信，利用FPGA采集總線的信息通過再次開發的接口模式進行對激光器的控制。圖10表示再次開發的接口時序，圖11表示數據的格式，0x8805表示地址信息，bit0～11表示數據信息。

圖10　接口時序

圖11　數據格式

3.2實驗測試

圖12為通過Glink總線連接到數控系統的設備的組態分布圖，激光機的接口通過FPGA組態成一個外設設備映射到系統中［5］。

圖12　激光器接口在數控系統中的映射

4　結論

基于總線式的激光器接口應用，其安全可靠性高和安裝調試方便等優點，光纖總線協議具有其他工業現場協議不可比擬的優勢。未來的工業控制領域內，讓激光器以總線式的方式集成于數控系統控制中是更加簡單高效的趨勢。

［1］YLS-2000-CT application note：Operating ManualYtterbium Laser System.

［2］Clive“MAX”Maxfield FPGA權威指南.人民郵電出版社，2012.陽憲惠.現場總線技術及應用［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［3］王廣雄，何朕著，陳新海.控制系統設計［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［4］吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設計.高級篇［M］.北京:人民郵電出版社，2005.7.

吳淇（1987-，男，遼寧大連，本科，助理工程師，電子研發/品質管理，電子研發工程師以及品質工程師。

E-mail: keywoo.w@dlkede.com

ResearchingTransmission Technology Based on Fiber Laser Interface and Fiber-optic Bus & Application in Numerical Control system

Qi Wu
（Kede Numerical Control CO.， LTD.， Dalian， Liaoning， 116600， China）

ApplingGlinkbus ，tostudytransmission technology between optical bus and fiber laserinterfaces. In accordance with the requirements of real-time control device makes Glink sub-stack strict timing synchronization.In the fiber laser control interface operation， the paper discusses the content and interface mode fiber lasers and the transmission of optical bus， through FPGA programming to achieve its interfacedriven development， and verified in the numerical control system.

Fiberlaser； Optical Bus； FPGA； Numerical Control System

TP206

A

2095-8412 （2016） 03-367-05