嵌入式激光雕刻机的网络系统设计

孙晓雷 许普乐 贾冕茜

嵌入式激光雕刻机的网络系统设计

孙晓雷 许普乐 贾冕茜

（芜湖职业技术学院光机电一体化应用技术协同创新中心，安徽芜湖，241002）

随着激光加工应用的不断扩大，激光雕刻机在非金属材料方面的需求增多。为了实现激光雕刻机的远距离控制和数据传输，必须提高加工数据变更效率。使用以太网控制和交换芯片实现硬件电路，控制器通过SPI通信控制以太网接口，有助于改善激光雕刻机的通信距离。

激光雕刻；以太网；网络通信；W5500

1 引言

借助计算机控制系统，激光雕刻技术的计算速度越来越快，应用场景也越来越广泛[1,2]。雕刻数据一般通过USB接口连接上位机、SD卡直接插入或WIFI通信的方式导入，图像界面操作的应用提高了使用效率[3]。这些通信均需要近距离实现，而以太网通信技术可以实现雕刻数据的远距离传输，在不考虑数据传输距离的条件下解决数据的接收转换。

2 原理方案

网络激光雕刻机由STM32控制器、机械传动机构和网络通信模块组成，框图如图1所示。STM32控制器包括位置电机驱动电路、激光器驱动电路、通信接口电路和人机交互等功能电路，其中通信接口包括USB接口与网络接口。

图1 网络激光雕刻机系统框图

2.1 网络控制系统的实现

激光雕刻机对网络通信的传输速率要求不高，采用专用的网络通信芯片W5500。该网络协议独立于系统处理器之外，使用简单方便，故网络控制电路选用以太网控制器芯片W5500。芯片集成了全硬件TCP/IP协议栈、介质传输层（MAC）与物理层（PHY），内嵌32K字节缓存，节约控制器内部ROM[4,5]，通过网络唤醒模式和掉电模式可以现实低能耗。在设计通信控制系统时，设计人员使用SPI协议与控制器STM32通信，通过Socket编程实现以太网应用。连接引脚MOSI实现数据从主机到从机的输出，引脚MISO实现数据从从机到主机的输出，引脚SCLK是主机与从机的时钟信号，片选引脚SCSn实现从机的选择，重置引脚RSTn实现从机的重启和中断输出，引脚INTn用于产生中断，这些引脚共同实现了W5500的SPI通信与控制。

数据传输对时序也有一定的要求，时序如图2所示，片选信号①拉低至少5 ns，数据才可以被读取。从机数据接收期间，数据变更②和维持③均应不少于3 ns。控制数据读取的时钟信号的高低电平维持时间④与⑤不低于6 ns。从机输出数据时，输出数据的有效时间⑥最大达到5 ns。数据读取结束5 ns（⑦）以后，数据传输才可结束。传输结束时，片选信号应保持高电平30 ns（⑧）以上。在片选信号进入高电平2.1 ns（⑨）的时间内，W5500输出引脚即进入高阻状态。

图2 W5500 SPI通信控制时序

在实现网络通信后，为了实现以太网的交换功能，我们使用了转换控制器IP175G。它具有5个以太网收发器，支持IEEE 802.3az电源管理工具，具有低功耗、支持按键启停等功能，无需拔插电源适配器，可以自动测试以节约测试成本[6]。

2.2 硬件电路与软件的实现

在激光雕刻机的网络通信电路中，STM32控制器通过串口SPI连接网络控制器W5500，再连接网络转换控制器IP175G，硬件电路原理图如图3所示。W5500芯片通过网络接口TXN、TXP、RXN及RXP与网络转换器IP175G的RXIP0、RXIM0、TXOM0及TXIP0端口连接，实现TP收发。通过IP175G芯片的其他网络端口可以实现与外部数据的连接，如激光雕刻机使用的2路网络端口。IP175G的端口1和2的相应引脚——TXOM、TXOP、RXIM及RXIP，通过外部隔离变压器D20601与外部进行通信。

图3 硬件电路图

通过包含地址段、控制段及数据段的SPI数据帧，数据从高位到低位进行传输。地址段提供16位偏移地址，控制段定义地址段的偏移区域并规定读/写操作模式和SPI的工作模式。网络控制器W5500的网络配置设置完成后，网络传输即可实现。

3 测试

最终激光雕刻机的样机如图4（a）所示，图4（b）为样机所用电路板网络功能正、反面图形，图4（c）为激光雕刻机打印的产品。激光雕刻机的网络通信系统经过调试后，在完成正常数据传输的同时也可以实现网络的交换功能，在控制多台设备时可以节约网络连接成本，提高工作效率。

图4 硬件电路图

4 结论

本系统通过网络控制器W5500和网络转换控制器IP175G来实现激光雕刻机的网络通信和交换功能。测试结果表明：该系统为激光雕刻机的数据传输和远距离控制提供了可能，其交换功能的实现也降低了多台设备连接的成本，提高了批量更换加工数据的效率。

[1] 乔东凯,张子杰,李国乐,等. 3D打印激光雕刻CNC雕刻一体化设备设计[J]. 广东石油化工学院学报, 2019,29(4):45-48.

[2] 郑晓,王君,汪泉,等. 一种基于Delta机器人的激光雕刻机[J]. 现代制造工程, 2017(12):78-81,124.

[3] 许卢伟,邓昌奇,郑俊泰,等. 激光雕刻机控制系统的研究[J]. 广东石油化工学院学报, 2017,27(1):45-47,50.

[4] 杨红波,朱磊,张博,等. STM32的W5500以太网通信模块快速实现方法[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2018,18(8):11-16.

[5] 沈翔. 基于硬件TCP/IP协议的物联网网关设计[J]. 物联网技术, 2019,9(10):35-37.

[6] 高林林. 基于物联网的电梯监控系统设计[D]. 合肥:中国科学技术大学, 2016.

Design of the Network System for Embedded Laser Engraving Machines

SUN Xiaolei & XU Pule & JIA Mianqian

As the application of laser processing is spreading, the demand for laser engraving machines in the field of non-metallic materials is increasing. In order to achieve remote control and data transmission of laser engraving machines, it is necessary to improve the changing efficiency of processing data. Usage of Ethernet control and switch chips helps to realize the hardware circuit. The controller controls the Ethernet interface through SPI communication, which is conducive to improving the communication distance of laser-engraving machines.

laser engraving; Ethernet; network communication; W5500

TN919

A

1009-1114（2020）03-0037-03

2020-05-29

孙晓雷（1975—），安徽芜湖人，硕士，芜湖职业技术学院副院长、教授、硕士生导师。

研究项目：芜湖市重点研发项目“消费级激光雕刻与 CNC 一体机研发（2018yf61）”。

文稿责编 邓延安