摘 要

随着激光加工技术的不断发展，激光切割相对于其他切割方法，它具有切割缝隙小、热影响区域小、切割面的质量高、切割无噪声等特点。激光真正广泛的应用在加工领域是在上世纪80年代快速轴流和横流CO2激光器出现后，并且在近十年取得了迅速发展。CO2激光器高效率、获得光束质量高、大功率，即能连续又能脉冲输出，且运行、维护费用低，使得它在机械加工领域得到广泛的应用。

本课题为基于总线的CO2激光器控制系统设计。整个控制系统分为两部分：下位机负责控制激光器的工作流程，并监控激光器的工作状态。上位机为人机操作界面，显示激光器的工作状态，同时操作人员可以从操作界面发布命令。

本课题主要是针对于下位机的设计。主要研究内容有两个工作方面：一方面是控制系统的硬件电路设计，主要掌握dsPIC33E系列的MCU和电源、光耦、AD、SPI电路以及485和CAN总线通线的电路原理图设计，确定系统设计方案，设计原理并绘制PCB板。另一方面是控制系统的软件设计，首先看懂老师所给的示例程序然后用C30对整个电路原理图进行程序的编写使用MPLAB IDE软件对其编程调试，最后测试硬件电路并调试整个系统。

关键字：激光器；DSPIC；控制装置；CAN总线

Design of CO2 laser control system based on bus

ABSTRACT

With the continuous development of laser processing technology, laser cutting, cutting relative to other methods, it has a small cutting slit, heat affected zone, high-quality cutting surface, cutting noise and other characteristics. Laser real wide range of applications in the field of post-processing in the 1980s and fast axial flow CO2 laser cross appears, and in recent years has made rapid development. CO2 laser high efficiency, obtain high beam quality, high power, but that is continuous pulse output, and operation, low maintenance costs, making it machining areas to be widely used.

This topic is CO2 laser control system bus-based design. The whole control system is divided into two parts: the lower computer responsible for controlling the laser workflow, and monitor the working status of the laser. PC for the man-machine interface, display the working state of the laser, and the operator can issue commands from the operator interface.

This subject is mainly targeted at the lower position machine design. The main research work has two aspects: one is the hardware circuit design of the control system, mainly controlled dsPIC33E series MCU and power, opticalcoupler, AD, SPI circuit and schematic design 485 and CAN bus communication line determination system design, design principles and draw the PCB board. On the other hand is the software design of the control system, the first teacher to read a sample program with the C30 and then the entire circuit schematic diagram programming using the MPLAB IDE software for its programming and debugging, final testing and commissioning of the entire system hardware circuit.

Keywords：laser；DSPIC；controller；CAN bus

目 录

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景……………………………………………………………………… -1-

1.2 国内外发展状况及趋势……………………………………………………………… -2-

1.3 课题研究的内容及意义……………………………………………………………… -3-

1.4 本文主要章节内容…………………………………………………………………… -4-

第二章 轴快流CO2激光器控制系统的原理

2.1 轴快流CO2激光器的结构及工作原理……………………………………………… -5-

2.2 控制系统总体设计…………………………………………………………………… -7-

2.2.1 系统构成………………………………………………………………………… -7-

2.2.2 控制装置信号…………………………………………………………………… -8-

2.3 主要器件选型………………………………………………………………………… -9-

2.3.1 DSC选型……………………………………………………………………………-9-

2.4 本章小结………………………………………………………………………………-10-

第三章 轴快流CO2激光器控制系统硬件设计

3.1 主板电路设计…………………………………………………………………………-11-

3.1.1 DSPIC接口电路设计…………………………………………………………… -12-

3.1.2 CAN控制器简介………………………………………………………………… -13-

3.1.3 CAN总线简介…………………………………………………………………… -14-

3.1.4 CAN总线通信电路设计………………………………………………………… -15-

3.1.5 CAN总线通信协议……………………………………………………………… -16-

3.1.6 电源模块电路设计………………………………………………………………-18-

3.1.7 信号采样电路设计………………………………………………………………-21-

3.1.8 AD模/数转换电路设计………………………………………………………… -25-

3.1.9 隔离驱动电路设计………………………………………………………………-27-

3.2 硬件抗干扰措施………………………………………………………………………-30-

3.3 本章小结………………………………………………………………………………-31-

第四章 轴快流CO2激光器控制系统软件设计

4.1 MPLAB集成开发环境………………………………………………………………… -32-

4.2 程序设计………………………………………………………………………………-32-

4.2.1 初始化程序设计…………………………………………………………………-32-

4.2.2 主程序设计………………………………………………………………………-33-

4.2.3 AD采样程序设计 ……………………………………………………………… -34-

4.2.4 SPI模块设计…………………………………………………………………… -35-

4.3 本章小结 …………………………………………………………………………… -36-

第五章 总结与展望

5.1 课题总结………………………………………………………………………………-37-

5.2 后续展望………………………………………………………………………………-37-

致谢……………………………………………………………………………………………-39-

参考文献………………………………………………………………………………………-40-

附件……………………………………………………………………………………………-41-

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

大功率的气体激光器自诞生以来已有约50年的历史了，早期的CO2激光器是向激光功率提高的方向发展，但当激光功率达到一定要求后，激光器的光束质量受到人们重视，激光器的发展重点随之转移到如何提高光束质量上，就现在而言，轴快流CO2激光器作为目前工业CO2激光器的主流，因其高光束质量、高功率以及运行可靠等优点，越来越受到加工行业的青睐，在工业、军事、医疗、科研、航天、测量等行业得到广泛应用。

激光切割的大功率CO2激光器分为轴快流射频激励CO2激光器、轴快流直流激励CO2激光器和扩散冷却射频激励板条CO2激光器几种，和国外激光器相比，国产轴快流直流激励CO2激光器存在着工作稳定性差、维修率高等缺点，具体表现在谐振腔、高压电源、气体单元、控制系统等方面；此外，在更高功率激光器制造方面还很薄弱，在射频电源制造方面也有很大的困难；总体来说，我国国产切割用大功率CO2激光器在研究、制造、发展水平上还有待提高。

本课题所做的工作是以DSPIC33E系列的单片机为控制核心的轴快流CO2激光器而开展的，采用基于总线的方法，进行CO2激光器控制系统设计，随着大功率CO2激光器在各个行业如科研、军事的普及，其系统的复杂程度越来越高，因此对其控制系统提出了更高的要求，前些年以PLC为控制器的控制系统存在控制功能简单、控制精度较低、数据算法较少、工作速度低、系统扩展困难等缺点，无法满足日益发展的需求。而DSC体积小，运算速度快、精度高、稳定性高、易扩展和方便组成多机分布式并行处理系统，可用C语言编写控制软件等优点，因此，采用数字信号控制器作为CO2激光器控制系统的核心，代替现有的PLC，将会很大程度改善CO2激光器控制系统的性能，对我国CO2激光器的研究、应用具有十分重要意义。