光纤激光器接口与光纤总线传输技术研究及案例应用探究

吴淇（科德数控股份有限公司，辽宁大连，116600）



光纤激光器接口与光纤总线传输技术研究及案例应用探究

吴淇
（科德数控股份有限公司，辽宁大连，116600）

应用Glink总线，研究了光纤总线与光纤激光器接口之间的传输技术，按照实时性要求使Glink子栈设备控制时序严格同步。在控制光纤激光器接口操作中，本文论述了光纤激光器接口模式和内容，以及光纤总线的传输方式，通过FPGA编程来实现其接口驱动的开发，并在数控系统中加以验证。

固态激光器；传输技术；FPGA；伺服驱动系统

引言

光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上研发，具体方法是：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出［1］。

目前，光纤激光器应用范围非常广泛，其中IPG公司是全球高功率光纤激光器和放大器的领导者，由它生产的高效光纤激光器、光纤放大器正在进行着不断的性能革新与突破，并被广泛应用于材料加工、通信、医疗等领域中［2］。

光纤激光器有着丰富的接口，想要完全控制激光器，就必须控制接口，这在操作上比较复杂。数控系统在通信上要求保持双工通信，由于光纤总线协议设计为全数字连接，保证了通信传输的安全性和可靠性。

本文研究了以太网现场Glink总线与光纤激光器的接口问题［3］，对光纤激光器接口进行详细的介绍，并将其特性在科德数控股份有限公司自主研发的数控系统中加以验证。

1　光纤激光器接口

大连光洋科技集团有限公司自主研发的光纤Glink总线。它是以高实时性、高同步性为核心优势的实时以太网现场总线［4］。Glink总线网络层的设计中包含完善的时钟定时基准，严格控制数据帧收发的时序，提高实时性的同时使Glink子栈设备的控制时序严格同步（同步误差不超过±270ns）。Glink总线的物理层通讯速率达100Mbps，其传输介质采用多模光纤抗干扰能力强。Glink总线体系结构中不仅包含OSI参考模型中的应用层、链路层、物理层还包含了网络层，这在工业现场总线中是很少见的。Glink总线突出设计了网络层，严格控制数据帧收发的时序。

Glink总线与光纤激光器接口有两种接口。

1.1“TEST”接口

此接口包含4种连接方式。

（1）手动操作

在手动操作连接方式中，如图1所示，只通过网络接口所用的交叉线连接到主控接口上。若使用HUB，请使用直连线。主控接口通过专用软件连接激光器，并控制激光器。

图1　手动操作方式连接图

（2）激光编程

在激光编程连接方式中，连接方式与手动操作相同，见图1，只是专业软件应使用激光程序控制功能。

（3）外部调制

在外部调制连接方式中，如图2所示，用户使用专业软件选择外控，然后单击软件中“发射”按钮后，若用户送入24V 信号，则出激光，送入0V，则关光。

图2　外部调制方式连接图

（4）模拟量控制

模拟量控制连接方式，如图3所示，首先使用PC 连接激光器，启动专业软件，选择模拟量控制方式，然后按照手动操作流程启动，并选择模拟量控制方式。然后XP4接口设置0－10V模拟电压来设置功率，XP2接口24V 电压控制激光的开关。

图3　模拟量控制连接图

1.2“ROBOT”接口

此接口包含3种连接方式。

（1）远程模拟量控制

专业软件在此连接方式下，只能监视硬线控制的输入输出信号。其中用户须为XP1接口提供24V（DC）（B15－24V，B16-GND），和21路24V数字输入信号，另外应能接收激光器输出的19路24V数字信号。同时，用户须提供0-10V可调的模拟量输入电源。连接如图4所示。

图4　远程模拟量控制连接图

（2）内部控制

如图5所示，用户须为X P 1接口提供2 4 V （DC）（ B15－24V，B16-0V）。用户使用此方式时通过硬线接口设置内部控制，可使用专业软件设置激光功率。

图5　远程内部控制模式连接图

（3）激光编程

激光编程方式连线与图5 相同，不同之处在于此方式下用户是预先对激光机编好程序并用硬线控制接口信号来控制时序。

2　通信模式

2.1“TEST”—本地通信模式

（1）手动控制

在该模式下，PC 通过网口控制激光器。

（2）外部调制

如图6所示，若工作于外部调制模式，专业软件和XP2接口的“+4－25V”直流电压信号必须提供。高电平－出光，低电平－关光。外部调制模式除了外部电压信号，与手动控制模式基本相同。外部调制模式只有处于“TEST”位置有效。

（3）模拟量控制

图6　外部调制时序图

模拟量控制模式，“TEST”和“ROBOT”模式都可以使用，时序图参考图7。模拟量控制模式与外部控制模式类似，只是功率调节由XP4接口控制，而不能使用专业软件控制。在模拟量控制模式下，外部调制信号和模拟信号都必须提供。模拟量用于设置输出功率：0VDC 对应于0W，10VDC 对应于标称功率。

图7　模拟量控制时序图

2.2“ROBOT”——远程通信模式

（1）模拟量控制

与“TEST”中的模拟量模式方式相同。

（2）硬线控制

XP1 硬线接口是工业专用的控制接口。依据硬线接口定义，连接控制器。XP1 硬线接口只有在“ROBOT”下有效。专业软件在该模式下具有监控功能，没有激光器的控制功能。

如果没有选择程序号，则默认程序号0 激活。当A2—Program Start 设置为高电平，激光将会出光。当A3－Internal Control 激活时，功率通过专业软件设置。若A6－Analog Control 激活，功率由模拟量控制，如图8所示。

如果选择程序号，则程序号1-50被激活。按照设定的程序进行控制。

图8　程序号0-内部控制时序

3　基于激光器的接口和光纤总线在数控驱动系统中的验证

3.1硬件平台设计

本实验选用大连光洋科技集团有限公司自主研发的光纤总线式全数字数控系统为主要硬件平台。该数控系统为光纤总线开放式高档数控系统，采用经过特殊设计制造的工业级PC、Windows系统、实时内核、软件数控等先进技术和体系结构。围绕绕光纤总线协议在软硬件方面对数控系统结构进行了全新设计，采用高性能数控专用主板以及基于Glink光纤总线协议的PLC、伺服驱动器和机床键盘，是目前世界上高档数控系统硬件结构最少、最先进的体系。接口设计如图9所示，实验中所选用光纤总线模块为自主研发的光纤总线通信模块，FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，接口电平转换模块是选用的自主研发的PLC数字电平转换模块来实现。

图9　设计框图

本设计是数控系统通过光纤总线与激光器的接口进行连接通信，利用FPGA采集总线的信息通过再次开发的接口模式进行对激光器的控制。图10表示再次开发的接口时序，图11表示数据的格式，0x8805表示地址信息，bit0～11表示数据信息。

图10　接口时序

图11　数据格式

3.2实验测试

图12为通过Glink总线连接到数控系统的设备的组态分布图，激光机的接口通过FPGA组态成一个外设设备映射到系统中［5］。

图12　激光器接口在数控系统中的映射

4　结论

基于总线式的激光器接口应用，其安全可靠性高和安装调试方便等优点，光纤总线协议具有其他工业现场协议不可比拟的优势。未来的工业控制领域内，让激光器以总线式的方式集成于数控系统控制中是更加简单高效的趋势。

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

［2］Clive“MAX”Maxfield FPGA权威指南.人民邮电出版社，2012.阳宪惠.现场总线技术及应用［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］王广雄，何朕著，陈新海.控制系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［4］吴继华，王诚.Altera FPGA/CPLD设计.高级篇［M］.北京:人民邮电出版社，2005.7.

吴淇（1987-，男，辽宁大连，本科，助理工程师，电子研发/品质管理，电子研发工程师以及品质工程师。

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