CN104516333A - 多核cpu多操作系统的控制器 - Google Patents

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邹风山
刘晓帆
董状
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Abstract

本发明提供一种多核CPU多操作系统的控制器，包括硬件部分与软件部分，所述硬件部分包括：多核CPU；内存模块；通信模块，至少包括总线通信模块、串行通信模块、网络通信模块，用于与所述上位机、外部设备及运动控制器进行通信连接；电源模块，用于为所述多核CPU多操作系统的控制器进行供电；所述软件部分包括：硬件驱动、操作系统以及应用软件，用于同时支持Windows主系统与Linux从系统的驱动与软件应用。既充分利用了多核CPU带来的性能优势，在保障实时性的前提下又满足了机器人应用的多样化需求，并且能够由已有的单核Linux实时控制系统进行快速的迁移，降低应用开发、性能测试的成本。

Description

多核CPU多操作系统的控制器
技术领域
本发明涉及控制器，尤其涉及一种多核CPU多操作系统的控制器。
背景技术
机器人是现代工业生产线中不可缺少的工具，它标志着工业的现代化程度。由于机器人应用范围的扩大、执行任务的愈发复杂、以及对执行效果的要求不断严苛，机器人控制器作为机器人控制系统的核心，就成为了革新机器人控制性能的关键。
传统的实时操作系统对硬件设备要求较高，并缺乏性能扩展、灵活迁移的手段，无法发挥最新硬件尤其是多核CPU的性能优势。如今，多核CPU逐渐取代单核CPU成为处理器的主流产品。而沿用单核CPU的实时操作系统的传统机器人控制器逐渐成为控制系统的性能瓶颈，限制了机器人向更高应用需求的领域延伸。而仅仅为提高性能使用多核CPU、单实时操作系统的控制器则造成了CPU性能资源的严重浪费。
因此，需要提供一种多核CPU多操作系统的控制器，用于解决控制性能的问题的同时还应避免资源的浪费。
发明内容
有鉴于此，我们提供了一种新型的多核CPU多操作系统的控制器，用以解决上述问题。
本发明的多核CPU多操作系统的控制器，应用于机器人系统中，所述机器人系统还包括上位机、外部设备、运动控制器，其中所述多核CPU多操作系统的控制器包括硬件部分与软件部分，所述硬件部分包括：多核CPU，包括主CPU与从CPU；内存模块，用于进行数据缓存、交换；通信模块，至少包括总线通信模块、串行通信模块、网络通信模块，用于与所述上位机、外部设备及运动控制器进行通信连接；电源模块，用于为所述多核CPU多操作系统的控制器进行供电；所述软件部分包括：硬件驱动、操作系统以及应用软件，用于同时支持Windows主系统与Linux从系统的驱动与软件应用。
优选地，所述硬件还包括接口模块，所述接口模块包括I/O接口模块、USB接口模块、外部设备卡接口模块和显示接口模块中的一个或多个的组合。
优选地，所述硬件还包括接口模块，所述接口模块至少包括I/O接口模块、USB接口模块、显示接口模块、外部设备卡接口模块，用于为多核CPU多操作系统的控制器提供丰富的外部设备扩展支持。
优选地，所述多核CPU是非对称多处理的双核异构CPU。
优选地，所述内存模块还包括非易失性内存模块，用于写入非易失性数据进行下电存储。
优选地，所述硬件驱动用于对上述各模块的硬件进行驱动。
优选地，操作系统中，Windows嵌入式系统作为主操作系统运行于所述主CPU上，协调整个控制系统的工作，为Linux嵌入式实时系统分配资源，并监测其运行状态；Linux嵌入式实时操作系统作为从操作系统运行于所述从CPU上，向Windows嵌入式系统申请共享资源，并实时更新当前系统状态。
优选地，所述应用软件包括Windows非实时应用软件与Linux实时应用软件。
本发明通过，用以解决了机器人及其类似产品在控制性能、应用开发方面的不足，避免控制器的资源浪费，并较好地改善了机器人控制器的控制效果，从而达到对机器人实时控制与灵活应用相结合的目的。
附图说明
图1是本发明中多核CPU多操作系统的控制器的应用环境示意图。
图2是本发明中多核CPU多操作系统的控制器的硬件模块示意图。
图3是本发明中多核CPU多操作系统的控制器的软件系统架构示意图。
具体实施方式
请参照图1，描述了多核CPU多操作系统的控制器在的应用环境，即在机器人系统中的位置。
多核CPU多操作系统的控制器接收上位机的控制指令，上报多核CPU多操作系统的控制器当前的状态信息。
多核CPU多操作系统的控制器接收外部设备的控制指令，并汇报控制结构和请求信息，实现外部设备对机器人的实时应用操作。
多核CPU多操作系统的控制器通过调度与运算，实时与运动控制器进行通信，根据运算结果值，并下发控制值，通过运动控制器实现对运动电机等设备M的控制。
本发明的多核CPU多操作系统的控制器分为硬件、软件两部分，请分别参阅图2与图3。
一、硬件部分
如图2所示，硬件部分采用支持的多核CPU1作为机器人控制器的主控处理器，还包括内存模块2、通信模块3、电源模块4、以及接口模块5。
其中，多核CPU1作为控制器的核心，采用支持非对称多处理（Asymmetric Multi-Processing,AMP）的双核异构CPU实现。其中CPU0作为主CPU，协调整个CPU的工作、分配共享资源并监测CPU1的状态，CPU1作为从CPU，需要向主CPU申请共享资源，并向主CPU实时发送状态。
面向用户的应用开发主要位于CPU0之上，实现控制器的用户应用、资源分配与基础调度；针对控制系统的控制算法主要位于CPU1之上，实现对控制系统的实时调度与控制。
内存模块2用于进行数据缓存、交换。其中，非易失性内存模块3用于写入非易失性数据，提供高速、安全、下电存储。
通信模块3，包括串行通信模块31、总线通信模块32以及网络通信模块33，用于完成控制器与上位机、机器人运动控制设备、外部控制设备的通信作用。具体而言，主要完成三个方面的作用：
1.接收上位机的控制指令，上报多核CPU多操作系统的控制器当前的状态信息；实现机器人软件的在线更新；实现机器人状态的实时监控。
2.接收外部设备的控制指令，并汇报控制结构和请求信息，实现外部设备40对机器人的实时应用操作。
3.多核CPU多操作系统的控制器通过调度与运算，实时与运动控制器进行通信，实时接收运算结果值，并向运动控制器下发控制值。
电源模块4为多核CPU多操作系统的控制器10的各个模块供电。
接口模块5包括I/O接口模块51、USB接口模块52、显示接口模块53和外部设备卡接口模块54中的一个或多个的组合。其中，I/O接口模块51用于连接待扩展传感器，传感器输出的I/O信号通过光耦隔离后，输入到多核CPU1的引脚。光耦芯片采用TLP280-4实现。
USB设备接口模块52为多核CPU多操作系统的控制器10提供灵活的外设扩展能力。
显示接口模块53，用于外接显示设备，丰富系统的监视、交互功能。
外部设备卡接口54模块用于接入外部存储卡设备。
二、软件部分
如图3所示，软件部分为应用在特定控制板卡之上的软件系统，主要包含硬件驱动、操作系统以及应用软件三部分。
硬件驱动：主要是针对不同的操作系统以及应用需求，对底层的通用硬件进行驱动。驱动包括非易失性内存模块驱动，串行通信接口模块设备驱动，总线通信设备驱动，网络通信模块驱动，USB设备接口驱动等，图中未详述。
操作系统：图中的多操作系统以Windows与Linux为例进行说明。
Windows嵌入式系统作为主操作系统运行于CPU0上，协调整个控制系统的工作，为Linux嵌入式实时系统分配必须的控制、计算资源，并监测其运行状态。在Windows嵌入式系统中，主要与用户进行交互，实现初步的运动规划、以及基础的控制调度，实现远程控制、离线编程、在线更新等上层高级功能，满足现代机器人对丰富应用的要求。
Linux嵌入式实时操作系统作为从操作系统运行于CPU1上，需要向Windows系统申请共享资源，并实时更新当前系统状态。在Linux嵌入式实时操作系统中，主要实现对整个控制系统的实时控制，接收Windows系统发送的初步规划值，进行实时运行与实时控制，满足机器人系统对控制器的实时性、稳定性的要求。
应用软件：为Windows非实时应用软件以及Linux实时应用软件。
Windows应用软件不需过分考虑机器人系统的实时性，在保障Linux系统正常、安全运行之后，可以运行丰富的应用开发，实现多种高级功能，并实现高性能的应用扩展，满足快速增长的机器人应用与功能需求。
Linux实时应用软件需要严苛考虑机器人系统的实时性，其应用功能单一并相对固定，可以直接由已经成熟的机器人控制器中进行迁移而无需过多的修改。
本发明提供一种基于多核CPU的多操作系统机器人控制器。采用支持AMP的多核CPU作为主控制器，并分别使用Windows嵌入式操作系统与Linux嵌入式实时操作系统。既充分利用了多核CPU带来的性能优势，在保障控制器实时性的前提下又满足了机器人应用的多样化需求，并且能够由已有的单核Linux实时控制系统进行快速的迁移，降低应用开发、性能测试的成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多核CPU多操作系统的控制器，应用于机器人系统中，所述机器人系统还包括上位机、外部设备、运动控制器，其中所述多核CPU多操作系统的控制器包括硬件部分与软件部分，其特征在于，所述硬件部分包括：
多核CPU，包括主CPU与从CPU；
内存模块，用于进行数据缓存、交换；
通信模块，至少包括总线通信模块、串行通信模块、网络通信模块，用于与所述上位机、外部设备及运动控制器进行通信连接；
电源模块，用于为所述多核CPU多操作系统的控制器进行供电；
所述软件部分包括：硬件驱动、操作系统以及应用软件，用于同时支持Windows主系统与Linux从系统的驱动与软件应用。
2.如权利要求1所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述硬件还包括接口模块，所述接口模块包括I/O接口模块、USB接口模块、外部设备卡接口模块和显示接口模块中的一个或多个的组合。
3.如权利要求1所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述硬件还包括接口模块，所述接口模块至少包括I/O接口模块、USB接口模块、显示接口模块、外部设备卡接口模块，用于为多核CPU多操作系统的控制器提供丰富的外部设备扩展支持。
4.如权利要求1所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述多核CPU是非对称多处理的双核异构CPU。
5.如权利要求1所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述内存模块还包括非易失性内存模块，用于写入非易失性数据进行下电存储。
6.如权利要求1或2或3所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述硬件驱动用于对上述各模块的硬件进行驱动。
7.如权利要求1所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，操作系统中，Windows主系统运行于所述主CPU上，协调整个控制系统的工作，为Linux从系统实时系统分配资源，并监测其运行状态；Linux从系统运行于所述从CPU上，向Windows主系统申请共享资源，并实时更新当前系统状态。
8.如权利要求7所述的多核CPU多操作系统的控制器，其特征在于，所述应用软件包括Windows非实时应用软件与Linux实时应用软件。
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