CN102122149A - 用于纸箱打样机的嵌入式控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于纸箱打样机的嵌入式控制系统及其控制方法，该控制系统包括通过数据总线与控制总线相连接的嵌入式微处理器模块和运动控制模块。微处理器模块以双核CPU芯片为核心。运动控制模块以精插补运动控制模块进行脉冲输出控制。本发明提供的控制方法，包括以下步骤：1）输入待加工的图形文件或者代码加工文件后，进行图形轮廓识别、轨迹规划、速度预处理或加工代码转换；2）进行粗插补运算；3）进行精插补，同时输出控制给步进或伺服系统去控制执行部件的动作，从而完成特定纸箱图形的裁剪。本发明体积小、硬件成本低，系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，系统功耗低，适应了机电产品对嵌入式控制系统的发展需要。

Description

用于纸箱打样机的嵌入式控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于纸箱制造自动控制技术领域，尤其涉及用于控制机床完成纸箱打样的嵌入式控制系统及其控制方法。

背景技术

在纸箱打样控制系统当中，运动控制器起着像人体大脑一样的作用，其性能的高低很大程度上影响到纸箱打样效果的好坏，而目前纸箱的多样化使得需要处理的图形越来越复杂，难度越来越大。因此，提升控制系统的性能同时降低其价格是关键。在运动控制器的发展过程中，出现了以单片机、专用芯片(ASIC)、DSP和FPGA为核心处理器的运动控制平台，其中当前市场上主要的运动控制器是基于“PC＋运动控制卡”的运动控制器，通过将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制卡的运动轨迹控制能力有机地结合在一起。但是这种方式在结构和性能上都存在很大的局限性：

第一，运动控制卡不能脱离计算机总线，需要插入计算机主板的PCI或者ISA插槽，因此每个具体应用都必须配置一台PC机作为上位机，这无疑对设备的体积、成本和运行环境都有一定的限制，难以独立运行和小型化。

第二，由于采用的是通用的工业PC机平台，硬件不可裁剪，对于很多场合，PC机上的许多功能都没有用到，而用户仍然要付出该成本。由于无法针对运动控制系统的特点来对系统软、硬件进行裁剪，因此采用通用的工业PC机不能很好地搭建嵌入式运动控制平台。

发明内容

针对上述纸箱制造过程中控制系统的不足，本发明提供一种用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，该控制系统体积小、硬件成本低，系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，系统功耗低，适应了机电产品对嵌入式控制系统的发展需要。

本发明的另一目的是提供一种上述用于纸箱打样机的嵌入式控制系统的控制方法。

本发明的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统包括通过数据总线与控制总线相连接的嵌入式微处理器模块和运动控制模块。

所述微处理器模块以ARM+DSP双核CPU芯片OMAP-L138为核心。

所述 OMAP-L138的DSP内核为浮点型DSP。

所述OMAP-L138内部本身共享128KB RAM。

所述运动控制模块以FPGA精插补运动控制模块进行脉冲输出控制，其分别连接X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器和U轴伺服驱动器，所述各轴的驱动器分别连接各轴的运动部件，其中，X轴运动部件与Y轴运动部件一起控制平面内刀片的位置，Z轴运动部件控制刀片的切入深度，U轴运动部件控制刀片的方向；还连接有用来控制刀片的上下振动的驱动电路和直流电机。

所述FPGA作为DSP的外设，利用总线通过EMIF接口与之相连接，FPGA内部同时设计两个128*16位的双口RAM，采用PING-PONG结构进行数据接收。

本发明还包括与嵌入式微处理器模块连接的相应外围模块：FLASH存储器、SDRAM存储器、液晶显示接口、输入输出接口、以太网接口、USB接口、SATA接口和串行接口。

所述FLASH存储器为NAND Flash存储器，其采用两片 K9K2G08U1A，共512MB，用于存储存放系统运行程序、系统参数及运动指令程序。

所述SDRAM存储器采用两片 MT48LC16M16A2P-75，共64MB，用于存放临时数据和运行应用程序。

本发明提供的控制方法，包括以下步骤：

1）输入待加工的纸箱图形DXF文件、HPGL文件或者G代码加工文件后，由 OMAP-L138的ARM核模块进行图形轮廓识别、轨迹规划、速度预处理或加工代码转换；

2）通过OMAP-L138内部的共享RAM将数据共享给OMAP-L138的DSP核模块进行粗插补运算；

3）通过总线将粗插补数据传输给编程好的FPGA进行精插补，同时输出控制给步进或伺服系统去控制执行部件的动作，从而完成特定纸箱图形的裁剪。

本发明的基于OMAP-L138双核芯片和FPGA芯片的嵌入式纸箱打样控制系统，其硬件成本较低，同时采用多任务实时操作系统Windows CE，其与桌面Windows系统非常相似，上层软件开发思路一致，因此软件开发比较容易。本发明的嵌入式纸箱打样控制系统是一种可以脱离上位机单独运行的，用于纸箱打样处理的专门控制系统。由于大量的图形信息需要直观的模拟加工显示，采用Windows CE嵌入式操作系统可以方便地利用其本身的图形用户界面去处理模拟加工，效果明显，开发效率也高。

本发明体积小、硬件成本低，系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，系统功耗低，适应了机电产品对嵌入式控制系统的发展需要。

附图说明

图1为本发明硬件结构示意图；

图2为OMAP-L138主控板的功能模块图；

图3为FPGA功能模块图；

图4为本发明程序处理流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，硬件结构包括OMAP-L138主芯片及其周围外设以及FPGA的脉冲输出控制与I/O控制。

如图2所示，所述OMAP-L138主芯片周围外设包括NAND Flash存储器、SDRAM存储器、RJ45以太网接口、LCD、实时时钟、20M晶振、JTAG接口、并行接口、USB接口、I/O扩展等。

主控板以嵌入式处理器OMAP-L138为核心，其集成了ARM9和DSP内核于一体。处理器OMAP-L138的ARM部分主要任务是实现纸箱图形数据处理、纸箱数控加工代码的转换和编译、轨迹规划、速度预处理计算、人机界面等任务，DSP部分主要负责粗插补的大量运算以及完成处理数据的传递。

外部NAND Flash存储器采用两片 K9K2G08U1A(256MB)，共512MB，用于存储存放系统运行程序、系统参数及运动指令程序，可模拟为U盘与PC机进行文件交换；SDRAM存储器采用两片 MT48LC16M16A2P-75(32MB)，共64MB，用于存放临时数据和运行应用程序。

通过串口、并口、以太网接口、USB接口与上位机系统或其它控制器通信，实现两者之间数据的传送，同时也实现程序的调试连接。

通过LCD接口，实现驱动5寸的液晶触摸屏模块，提供友好的人机交互界面。

通过I/O扩展接口，提供了可编程的数字I/O通道。

通过SATA接口，可以连接海量硬盘存储，可以用作纸箱加工图形文档的保存，以便后续的管理查找。

OMAP-L138的DSP模块根据收到ARM模块对纸箱图形预处理的数据，进行速度、直线加/减速和S曲线加/减速等处理，完成2轴/3轴直线粗插补、2轴圆弧粗插补，并通过总线将其传给FPGA。

通过USB、网络及串行接口与PC机通信，完成Windows CE内核的下载以及实现应用程序的调试及下载，系统软件升级方便。

如图3所示，FPGA精插补运动控制模块以Xilinx公司的Spartan-3E系列500K门的XC3S500E作为控制的核心，采用串行外设接口模式配置FPGA，配置芯片选择ATMEL公司的串行Flash芯片AT45DB。FPGA芯片XC3S500E采用的是SDRAM工艺，因此需要通过非易失性数据存储芯片来存储配置文件对其进行配置。通过选定软件编程实用工具XSPI，编写相应的配置文件，由USB或者串口进行文件的下载。采用数字积分插补法在FPGA芯片中实现硬件插补算法的编写。根据数字积分插补原理，设计将插补器分为缓冲器模块、时序发生器模块、积分器模块、脉冲双向计数器模块以及脉冲的输出模块。负责处理一些实时性强的I/O信号，如：急停、原点、限位等信号的检测。

通过对OMAP-L138完成以上硬件的配置，接着需要完成相应软件的编写。

首先，软件平台的搭建。在OMAP-L138的ARM子系统中，根据具体的外设配置和提供的外设驱动，修改或编写适合本系统的Windows CE驱动，然后编译与之相应的Windows CE内核，生成映像文件，通过USB下载到ARM子系统中。在OMAP-L138的DSP子系统中，采用无操作系统架构。在DSP中搭建好程序架构之后，采用时间分割法，编写两轴直线插补、3轴直线插补以及圆弧插补等粗插补算法。

为了能够使ARM子系统能够与DSP子系统进行数据的交互，硬件上可以采用OMAP-L138内部本身共享的128KBRAM，但软件上需要制定和编写合适的数据通讯协议。在RAM中，使用指针操作方式，构成循环读写存储空间，用于存储ARM传递给DSP的图形处理信息以及DSP反馈给ARM的状态信息。

FPGA则当作是DSP的外设，利用总线通过EMIF接口与之相连接。FPGA内部同时设计两个128*16位的双口RAM，采用PING-PONG结构进行数据接收。通过FPGA内的控制逻辑，DSP轮流对这两个存储区进行写操作。在同一时刻不能对同一个存储区进行读和写的操作。数据接收之后，通过FPGA内部设计的精插补器进行插补运算，最后输出各轴控制脉冲。同时，由FPGA内部的其余I/O模块处理相应的I/O信息。

在应用软件设计方面，为了增强软件的可移植性和实现跨平台开发，所以采用了与桌面系统非常相似的Windows CE平台。根据ARM子系统与DSP子系统之间制定的数据交互协议，编写响应的运动控制API函数库。本发明所设计的运动控制函数库为单轴及多轴的步进或伺服控制提供了许多运动控制函数，如：单轴驱动、两轴直线插补、3轴直线插补、圆弧插补等等。另外，为了配合运动控制系统的开发，还编写了一些辅助函数，如：中断处理、间隙补偿、通用开关量的输入输出等。通过调用API函数的方式可直接与DSP进行通讯，这样，用户在开发应用程序时，只需根据纸箱打样机工艺的具体要求编制人机界面，并调用运动控制函数库中的函数，从而完成不同纸箱类型的打样。

本发明的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统的的控制过程如图4所示，待加工的纸箱图形信息有两种形式，一种是在PC机上由专门制图软件生成的图形文件，如DXF格式文件、HPGL格式文件，另一种是直接在LCD触摸屏上输入的G代码加工文件。同时，由PC生成的待加工文件通过串口、以太网或者USB接口进行传输，而LCD界面输入的G代码加工文件直接点击保存即可。

由于DXF或HPGL格式文件与G代码的信息结构不一样，因此处理的流程也不一致。DXF或HPGL格式文件首先需要进行轮廓的识别，然后对加工轨迹进行规划，接着速度预处理，完成粗插补计算，而G代码由于是根据图形具体工艺进行编写的，因此只需要对其进行编译解释之后，就能进行速度处理及粗插补计算。通过OMAP-L138中DSP的粗插补运算之后，由总线将数据发送到FPGA的数据缓冲区模块，然后通过FPGA内部设计的精插补模块进行精插补运算，得出每个轴的速度、位置控制。最后由FPGA的脉冲发送模块将相应的脉冲输出，完成对步进电机或者伺服电机的控制，实时控制电机的运动。

该控制系统结合了纸箱打样的具体工艺要求，控制刀片在X、Y平面运动的同时，同时控制C轴改变刀片的刀刃方向，确保刀刃方向与图形线条的切线方向一致。此外，也控制另外一个直流电机，使得刀片根据纸质的不同，保持特定的频率上下振动。

本发明用于纸箱打样的嵌入式控制系统是一个可以脱离PC独立运行的运动控制系统。在实际运用时，用户可以根据具体的需求，通过网络、USB或串口将PC绘制的纸箱图形文件传输到控制系统平台，或者直接利用人机界面编写G代码纸箱加工指令，控制器就可以根据具体输入的加工文件作出相应的处理，从而完成电机的控制。

本发明是一个可以脱离PC独立运行的运动控制系统。在实际运用时，用户可以根据具体的需求，通过网络、USB或串口将PC绘制的纸箱图形文件传输到控制系统平台，或者直接利用人机界面编写G代码纸箱加工指令，控制器就可以根据具体输入的加工文件作出相应的处理，从而完成电机的控制。

本发明体积小、硬件成本低，系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，系统功耗低，适应了机电产品对嵌入式控制系统的发展需要。

Claims (10)

1.用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，包括通过数据总线与控制总线相连接的嵌入式微处理器模块和运动控制模块。

2.根据权利要求1所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述微处理器模块以ARM+DSP双核CPU芯片OMAP-L138为核心。

3.根据权利要求2所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述 OMAP-L138的DSP内核为浮点型DSP。

4.根据权利要求3所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述OMAP-L138内部本身共享128KB RAM。

5.根据权利要求1所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述运动控制模块以FPGA精插补运动控制模块进行脉冲输出控制，其分别连接X轴伺服驱动器、Y轴伺服驱动器、Z轴伺服驱动器和U轴伺服驱动器，所述各轴的驱动器分别连接各轴的运动部件，其中，X轴运动部件与Y轴运动部件一起控制平面内刀片的位置，Z轴运动部件控制刀片的切入深度，U轴运动部件控制刀片的方向；还连接有用来控制刀片的上下振动的驱动电路和直流电机。

6.根据权利要求5所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述FPGA作为DSP的外设，利用总线通过EMIF接口与之相连接，FPGA内部同时设计两个128*16位的双口RAM，采用PING-PONG结构进行数据接收。

7.根据权利要求1所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：还包括与嵌入式微处理器模块连接的相应外围模块：FLASH存储器、SDRAM存储器、液晶显示接口、输入输出接口、以太网接口、USB接口、SATA接口和串行接口。

8.根据权利要求7所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述FLASH存储器为NAND Flash存储器，其采用两片 K9K2G08U1A，共512MB，用于存储存放系统运行程序、系统参数及运动指令程序。

9.根据权利要求7所述的用于纸箱打样机的嵌入式控制系统，其特征在于：所述SDRAM存储器采用两片 MT48LC16M16A2P-75，共64MB，用于存放临时数据和运行应用程序。

10.用于纸箱打样机的嵌入式控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1）输入待加工的纸箱图形DXF文件、HPGL文件或者G代码加工文件后，由 OMAP-L138的ARM核模块进行图形轮廓识别、轨迹规划、速度预处理或加工代码转换；

2）通过OMAP-L138内部的共享RAM将数据共享给OMAP-L138的DSP核模块进行粗插补运算；

3）通过总线将粗插补数据传输给编程好的FPGA进行精插补，同时输出控制给步进或伺服系统去控制执行部件的动作，从而完成特定纸箱图形的裁剪。

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