CN107491042A - 一种6轴嵌入式数控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种6轴嵌入式数控系统，包括人机交互界面、核心板、扩展底板；所述的核心板包括双核微处理器、GPMC接口，HDMI接口，以太网接口，Micro SD卡接口；所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA以及外围接口电路；所述的人机交互界面通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板通过GPMC接口与扩展底板相连；所述的双核微处理器，内部集成高性能的ARM核与DSP核，ARM核主要用于与人机界面数据交互、界面刷新，数控G指令预读与解析，DSP核主要负责区域运动控制与插补运算。

Description

一种6轴嵌入式数控系统
技术领域
本发明涉及数控技术与机电控制技术领域，具体涉及一种６轴嵌入式数控系统，系统结构简单成本低，安装、维护和升级方便，尤其是双核运动控制微处理器性能高，缩短运算时间，降低插补周期、极大提高插补效率与插补精度。
背景技术
数控系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序等实现自动控制的控制系统，运行标准的G指令，可以实现快速定位、逆圆插补、顺圆插补、中间点圆弧插补、半径编程、跳转加工等。广泛应用于机器人、智能化加工技术和CAD/CAM技术，包括各类数控检测设备、数控加工设备、串并联机器人等自动化设备。
数控系统的实现，目前多采用基于PC(个人电脑)的系统和嵌入式系统的形式。
基于PC的系统又分为两大类：1）使用高速现场总线；2）“PC+运动控制卡”。高速现场总线即PC机端通过通讯线缆走总线协议与控制板卡连接；PC+运动控制卡即将运动控制卡插入电脑主机PCI插槽中。
目前的数控系统普遍存在以下缺点：
基于PC使用高速现场总线的数控系统，很多总线协议裁剪复杂，开发周期长，开发成本高；对已有的伺服驱动器基本不兼容，无法通信。
PC+运动控制卡式的数控系统需要将运动控制卡插入计算机主板，占用PCI总线带宽，占用CPU资源，对控制主机的硬件要求高。还需要从PCI卡上引出控制线连接到扩展卡，成本高，引出脚的数量也相当有限，硬件不可裁剪，可扩展性不强。
嵌入式数控系统受所选核心处理器芯片的性能限制，其运算能力和存储容量有限，造成升级、扩展困难。整机系统开发周期长，跟不上芯片更新换代的速度。
发明内容
针对以上嵌入式数控系统的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种6轴嵌入式数控系统，所述系统选用高性能的核心处理器，核心板与扩展底板独立分离的方法，可以解决传统嵌入式数控系统运算能力和存储容量有限，升级、扩展困难，整机系统开发周期长的问题，由于软硬件上都无需PC机参与工作，还大大降低整机成本。所述嵌入式系统通过以下技术方案来实现的：
一种6轴嵌入式数控系统，包括人机交互界面、核心板、扩展底板；所述的核心板包括双核微处理器、GPMC接口，HDMI接口，以太网接口，Micro SD卡接口；所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA以及外围接口电路；所述的人机交互界面通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板通过GPMC接口与扩展底板相连；所述的双核微处理器，内部集成高性能的ARM核与DSP核，ARM核主要用于与人机界面数据交互、界面刷新，数控G指令预读与解析，DSP核主要负责区域运动控制与插补运算；所述的双核芯片的GPMC接口配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与扩展底板通信，实现将插补数据传送至FPGA，进而通过外围电路控制6轴的同步插补，实现多轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
优选地，所述的嵌入式数控系统，包括人机交互界面、核心板、扩展底板。核心板与扩展底板相互独立，通过标准欧式396（3排96针）插头与插座、螺母铜柱连接固定。
优选地，所述的核心板包括双核微处理器、GPMC接口，HDMI接口，以太网接口，Micro SD卡接口。所述以太网接口可用于系统远程监控、维护与升级，所述Micro SD卡接口可用于扩展存储空间或系统升级。
优选地，所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA以及外围接口电路。
优选地，所述的人机交互界面通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板通过GPMC接口与扩展底板通信。
优选地，所述的高性能双核处理器主控芯片为TMS320DM8148或TMS320DM8168，内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800M主频C674x的DSP核。
优选地，所述的双核处理器内部分工合作：ARM核主要用于人机界面数据交互与界面刷新、数控G指令预读与处理；DSP核主要进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区，DSP核带浮点运算库，运算速度快，可将插补周期缩小至25微秒；ARM核与DSP核内部直接通过共享内存进行快速数据交互。
优选地，所述双核芯片的GPMC接口配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与FPGA扩展底板通信，将插补数据传送至FPGA。
优选地，所述FPGA通过定时中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值等，通过外围电路控制６轴同步插补。
优选地，所述的一种６轴嵌入式数控系统，通过ARM核解析数控G指令，得到各电机需要运动到的空间位置；DSP核利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；双核芯片的GPMC接口配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与FPGA扩展底板通信，将插补数据传送至FPGA； FPGA通过外围电路控制６轴同步插补，实现机床６轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明中６轴嵌入式数控系统的结构框图。
图2是本发明中６轴嵌入式数控系统控制方法流程示意图。
图3A是本发明中６轴嵌入式数控系统安装示意图的正视图和左视图。
图3B是本发明中６轴嵌入式数控系统安装示意图的组装示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1是本发明中６轴嵌入式数控系统的结构框图，如图所示，一种6轴嵌入式数控系统，包括人机交互界面1、核心板2、扩展底板3；所述的核心板2包括双核微处理器4、GPMC接口5，HDMI接口15，以太网接口14，Micro SD卡接口13；所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA芯片6以及外围接口电路9；所述的人机交互界面1通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板2通过GPMC接口5与扩展底板3相连；所述的双核微处理器4，内部集成高性能的ARM核10与DSP核11，ARM核10主要用于与人机界面1进行数据交互、界面刷新，数控G指令预读与解析，DSP核11主要负责区域插补运算；所述的双核芯片4的GPMC接口5配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与扩展底板3通信，实现将插补数据传送至FPGA处理芯片6，进而通过外围电路9控制6轴的同步插补，实现多轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
所述嵌入式数控系统，包括人机交互界面1、核心板2、扩展底板3。
所述核心板2包括双核微处理器4、GPMC接口5，HDMI接口15，以太网接口14，MicroSD卡接口13。以太网接口14可用于系统远程监控、维护与升级，Micro SD卡接口13可用于扩展存储空间或系统升级。
所述扩展底板3包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA芯片6以及外围接口电路9。
所述人机交互界面1通过HDMI接口15与核心板2连接；所述的核心板2通过GPMC接口5与扩展底板3相连。
所述双核处理器芯片4为TMS320DM8148或TMS320DM8168，内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核10与800M主频C674x的DSP核11。
所述双核处理器10内部分工合作：ARM核10主要用于人机界面1数据交互与界面刷新、数控G指令预读与处理；DSP核11主要进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区，DSP核带浮点运算库，运算速度快，可将插补周期缩小至25微秒；ARM核10与DSP核11内部直接通过共享内存12进行快速数据交互。
所述双核芯片4的GPMC接口5配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与FPGA扩展底板通信，将插补数据传送至FPGA芯片6。
所述FPGA通过定时中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值等，通过外围电路控制６轴同步插补。
所述一种６轴嵌入式数控系统，通过ARM核10解析数控G指令，得到各电机需要运动到的空间位置；DSP核11利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；双核芯片4的GPMC接口5配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与FPGA扩展底板3通信，将插补数据传送至FPGA芯片6； FPGA通过外围电路9控制６轴同步插补，实现机床６轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
图2是本发明所提供的6轴嵌入式数控系统控制方法流程示意图，如图2所示，该方法包括：
S201、嵌入式系统开机，ARM核初始化，操作系统启动，同时唤醒DSP核，FPGA初始化，人机操作界面显示正常。
S202、人机操作界面刷新，ARM核解析标准数控G指令，ARM写共享内存，发送中断至DSP。
在此，ARM核解析数控G指令，得到各电机需要运动到的空间位置值与设定速度等。
S203、DSP接收中断，读取共享内存，即接收运动代码数据；进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区。
在此，DSP利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区。
S204、核心板通过GPMC接口与FPGA数据交互：DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的插补数据，进行6轴同步插补，实现多轴联动；FPGA同步实时读取外围伺服电机状态反馈值、编码器反馈值并通过GPMC接口传送至核心板。
S205、DSP发送中断至ARM，ARM读取共享内存，再将伺服电机状态反馈值、编码器反馈值通过HDMI接口在人机交互机界面上显示。
图3A是本发明中６轴嵌入式数控系统安装示意图的正视图和左视图，图3B是本发明中６轴嵌入式数控系统安装示意图的组装示意图，如图所示，核心板上焊接欧式插座396（3排96孔）直孔母座16，与之对应的扩展底板上焊接欧式插头396（3排96针）直插公头18；扩展底板上装有铜柱17用于支撑核心板。安装方便，便于升级与维护。随着芯片不断更新换代，当采用新的高性能的处理芯片时，只需要更换核心板即可实现快速对接，可大大缩短整机系统开发周期。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种6轴嵌入式数控系统，包括人机交互界面、核心板、扩展底板；所述的核心板包括双核微处理器、GPMC接口，HDMI接口，以太网接口，Micro SD卡接口；所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA以及外围接口电路；所述的人机交互界面通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板通过GPMC接口与扩展底板相连；所述的双核微处理器，内部集成高性能的ARM核与DSP核，ARM核主要用于与人机界面数据交互、界面刷新，数控G指令预读与解析，DSP核主要负责区域插补运算；所述的双核芯片的GPMC接口配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与扩展底板通信，实现将插补数据传送至FPGA，进而通过外围电路控制6轴的同步插补，实现多轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
2.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于：包括人机交互界面、核心板、扩展底板。
3. 如权利要求1所述的数控系统，其特征在于：所述的核心板包括双核微处理器、GPMC接口，HDMI接口，以太网接口，Micro SD卡接口。
4.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于：所述的扩展底板包括可实现6轴脉冲控制与反馈信号接口的FPGA以及外围接口电路。
5.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于：所述的人机交互界面通过HDMI接口与核心板连接；所述的核心板通过GPMC接口与扩展底板相连。
6.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于：所述的高性能双核处理器主控芯片TMS320DM8148或TMS320DM8168，内部集成了1GHz主频Cortex-A8 ARM核与800M主频C674x的DSP核。
7.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于双核处理器内部分工合作：ARM核主要用于人机界面数据交互与界面刷新、数控G指令预读与处理；DSP核主要进行运动控制轨迹规划、运动控制算法处理、插补运算，并将插补值填入插补缓冲区，DSP核带浮点运算库，运算速度快，可将插补周期缩小至25微秒；ARM核与DSP核内部直接通过共享内存进行快速数据交互。
8.如权利要求1所述的数控系统，其特征在于双核芯片的GPMC接口配置为异步模式并设置NOR FLASH、非地址数据线复用的模式与FPGA扩展底板通信，将插补数据传送至FPGA。
9.如权利要求1所述的数控系统，FPGA通过定时中断触发DSP进行插补输出，FPGA接收DSP插补缓冲区传送过来的各轴脉冲值与方向值等，通过外围电路控制６轴同步插补。
10.一种利用权利要求1所述的一种６轴嵌入式数控系统，其特征在于，ARM核解析数控G指令，得到各电机需要运动到的空间位置与设定速度等；DSP核利用空间曲线的轨迹插补方法在相邻坐标点之间插补出多个点，经过轨迹插补方法后生成每个插补周期的每个电机需要运动的位置、速度、加速度和加加速度等，存入插补缓冲区；双核芯片通过GPMC接口与FPGA扩展底板通信，将插补数据传送至FPGA；FPGA通过外围电路控制６轴同步插补，实现机床６轴联动，完成复杂曲线曲面的插补。
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