CN109144036B - 一种基于fpga芯片的机械手模拟测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，属于机械手测试领域，包括机械手模拟器、PC机和测试机，机械手模拟器包括FPGA、RS232接口、GPIB接口、RAM、LED、按键和软核处理器，软核处理器包括CPU、SDRAM、PIO、UART和JTAG UART，软核处理器的固件实现RS232接口和GPIB接口的通讯、以及LED显示及按键接收。还公开一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的测试方法，本发明的测试系统利用体积小成本低的硬件电路模拟了机械手通讯，并且便于携带，使调试人员在实验室也可调试机械手，不会损坏机械手，从而保护了昂贵的机械手。
Description
技术领域
本发明属于机械手测试领域，具体涉及一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统及测试方法。
背景技术
为了提高生产效率，在芯片的自动化测试生产时必须用到Handler(机械手)，机械手在使用之前需要采用测试机tester对机械手进行测试，Handler与测试机通常通过RS232或者GPIB通信，并以一套专用指令进行交互，需要Handler与测试机收发的信息准确无误的传达给对方(如图1所示)。通常在架设测试设备时，需要对测试设备进行调试，以确保其与Handler的正常通信。由于Handler体积庞大不便于搬运至实验室，传统的做法是工程师需要到现场连接Handler进行调试，从时间上和成本上讲都非常不方便。另外Handler价格昂贵，连接Handler调试时难免有误操作，有一定可能由于短路或操作不当等原因引起Handler的损坏。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，包括机械手模拟器、PC机和测试机，所述机械手模拟器与PC机，所述PC机与测试机连接，所述机械手模拟器包括FPGA、RS232接口、GPIB接口、RAM、LED、按键和软核处理器，所述软核处理器包括CPU、SDRAM、PIO、UART和JTAGUART，所述软核处理器的固件实现RS232接口和GPIB接口的通讯、以及LED显示及按键接收。
作为优选，所述软核处理器为NIOS嵌入式处理器，所述软核处理器利用FPGA的逻辑以及存储器资源构建机械手模拟器的嵌入式系统。
作为优选，所述软核处理器的存储器分配包括复位向量Reset Vector指向FPGA的Flash，执行向量Exception Vector指向外围的SDRAM。
作为优选，所述PIO利用HDL进行交互，实现机械手模拟器的GPIB通讯、接收按键信息和输出LED信号。
作为优选，所述RS232接口的通讯通过调用软核处理器中UART模块的发送接收函数实现，所述GPIB接口的通讯通过PIO和三线挂钩流程实现。
作为优选，所述FPGA处理器的型号为EP4CE6E22C8N，所述RAM为64Mbit的SDRAM存储器。
作为优选，所述LED用于显示通讯模式和机械手的分箱状态，当固件经由通讯收到分箱信息后，经过软核处理器的PIO输出到软核外部，用HDL进行编码输出给外部的LED进行显示。
作为优选，所述按键包括4个用于指示工位状态的拨码开关和一个具备复位功能和通讯模式选择的功能按钮，所述拨码开关开启时表示相应的工位已经准备好，所述功能按钮轻按一下为复位，长按为通信模式切换。
作为优选，采用FPGA中的计数器对功能按钮的信号进行处理，当轻按时计数器计数不够，则直接发送复位信号给软核处理器进行复位操作，当长按时计数器记满，不发送复位信号，而是通过PIO发送模式切换信号给软核处理器，切换通讯模式。
一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的测试方法，其特征在于，
1)首先PC机发送ENQ指令给机械手模拟器，该指令为询问，要求接收后发出响应来验证存在；
2)机械手模拟器收到后返回ACK应答指令，证明其存在；
3)PC机收到ACK之后发出开始测试指令；
4)机械手模拟器收到开始测试指令后向PC机发出ENQ询问，之后PC机回复ACK应答；
5)收到应答后机械手模拟器发出工位准备好指令，指示当前机械手模拟器有几个工位已经准备好测试；
6)PC机收到工位准备信息后，通知测试机开始在对应工位上进行测试；
7)测试结束后PC机发送询问，机械手模拟器应答后，PC机发送分箱信息，机械手进行对应的分箱操作，至此一次测试完毕。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，利用体积小成本低的硬件电路模拟了Handler通讯，还原了Handler的一切通讯操作，并且便于携带。使调试人员在实验室也可调试机械手，从而做好万全的准备进入到产线调试阶段。并且在调试过程中由于误操作等原因造成的损害只会损坏模拟器，而不会损坏机械手，从而保护了昂贵的机械手节约了成本。另外本分明同时具备RS232以及GPIB接口功能，可以应对市场上几乎所有型号的Handler通讯。
附图说明
图1是现有的机械手测试的连接框图；
图2是基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的连接框图；
图3是基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的机械手模拟器的结构框图；
图4是基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的软核结构图；
图5是基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统的三线挂钩流程图；
图6是实际的机械手NX16EX250通讯流程图；
图7是基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统机械手模拟器的测试流程实例。
具体实施方式
下面结合具体附图进一步阐明本发明，本具体实施方式在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至2所示，本发明的一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，包括机械手模拟器、PC机和测试机，机械手模拟器与PC机，PC机与测试机连接，机械手模拟器的硬件主要包括FPGA、RS232接口、GPIB接口、RAM、LED、按键，FPGA选用Altera公司的EP4CE6E22C8N，该芯片的特点是容量大且成本低。RAM使用64Mbit的SDRAM。RS232串口芯片使用SP3232。GPIB使用FPGA的通用接口实现。供电使用外部5V变压器供电。本发明的软件架构通过软核处理器实现，软核处理器包括CPU、SDRAM、PIO、UART和JTAG，软核处理器的固件实现RS232接口和GPIB接口的通讯、以及LED显示及按键接收。
软核处理器为NIOS嵌入式处理器，软核处理器利用FPGA的逻辑以及存储器资源构建机械手模拟器的嵌入式系统。为了实现方便，本方案使用FPGA的NIOS II实现。NIOS II是ALTERA公司FPGA的软核处理器。NIOS II的开发分为设计软核和编写固件两步。
软核的设计具体的为在软核中分别添加processors中的CPU、memories andmemory controller中的SDRAM和epcs_flash_controller、peripherals中的PIO、interface protocols中的UART和JTAG UART，并设置时钟clk和复位reset，CPU中设置CPU类型，CPU类型根据功能需求选择，低级的功能少占用资源少，本发明的采用最低级的就能够满足需求。还需分配存储器，软核处理器的存储器分配包括复位向量Reset Vector指向FPGA的Flash，执行向量Exception Vector指向机械手模拟器硬件中的RAM。UART中主要设置波特率和数据位，同步等级越大越稳定。本发明中UART的波特率设置为19200，位宽设置为8。
PIO利用HDL进行交互，PIO是和HDL进行普通交互的管脚，可以设置位宽和信号方向，并可以作为中断使用，这里的主要作用是实现机械手模拟器的GPIB通讯、接收按键信息和输出LED信号。各部分模块都添加好之后可以使用system/assign base address和assign interrupt numbers对基地址和中断号进行自动分配。否则有冲突会报错。JTAGUART是实现PC和Nios II系统间的串行通信接口。最后生成软核结构如图4所示。
软核的固件使用NIOS II IDE来设计，该软件是ALTERA专用嵌入式设计工具。固件主要实现RS232、GPIB通讯以及LED显示及按键接收。
RS232接口的通讯通过调用软核处理器中UART模块的发送接收函数实现，GPIB接口的通讯通过PIO和三线挂钩流程实现。在实现RS232接收时用到中断，当满足中断条件时，如UART的数据到来后检测到边沿，程序立即会跳转到中断子程序中，随后储存数据。GPIB由于软核中没有现成模块，所以只能用固件实现其功能。将PIO配置成GPIB的几个信号：DAV，NRFD，NDAC，D[7:0]，编程实现听和讲的三线挂钩流程，从而实现GPIB接口的通讯功能，三线挂钩流程如图5所示，本发明中PC机的身份有控制器/讲者/听者，机械手模拟器的身份有讲者/听者，PC机和机械手模拟器实时进行双向通信。
DAV(Data Valid)为数据有效线：当数据线上出现有效数据时，讲者置该线为低(负逻辑)，示意听者从数据线上接收数据。
NRFD(Not Ready For Data)为数据未就绪线：只要听者中有一个尚未准备好接收数据，该线就为低，示意讲者暂不要发出信息。
NDAC(Not Data Accepted)为数据未收到线：只要听者中有一个尚未从数据总线上接收完数据，该线就为低，示意讲者暂不要撤掉数据总线上的信息。
LED用于显示通讯模式和机械手的分箱状态，通讯模式包括RS232和GPIB，当固件经由通讯收到分箱信息后，经过软核处理器的PIO输出到软核外部，用HDL进行编码输出给外部的LED进行显示。
按键包括4个用于指示工位状态的拨码开关和一个具备复位功能和通讯模式选择的功能按钮，功能按钮轻按一下为复位，长按为通信模式切换。拨码开关用于指示Handler工位的准备状态，通信时由此确定工位准备信息，本发明中设置有4个拨码开关，分别指示工位1到4，处于开启状态时代表相应的工位已经准备好。
按钮有1个，具备复位功能和通讯模式选择功能，轻按一下为复位，长按为切换模式。采用FPGA中的计数器对功能按钮的信号进行处理，当轻按时计数器计数不够，则直接发送复位信号给软核处理器进行复位操作，当长按时计数器记满，不发送复位信号，而是通过PIO发送模式切换信号给软核处理器，切换通讯模式。
以型号为NX16EX250的机械手为例，实际的机械手与PC机通讯流程如图6所示。其中开始测试的指令为CE，分箱信息的指令为BA，在发送除单个字节外，多个字节必须以开始符和结束符包裹，分别为STX和ETX。每个指令对应的十六进制码可以查机械手手册得到，按流程在固件中编程，响应对应的PC机信号进而模拟机械手操作，这里对于RS232或GPIB都是一样的。具体的测试流程如下：
1)首先PC机发送ENQ指令给机械手，该指令为询问，要求接收后发出响应来验证存在。
2)机械手收到后返回ACK应答指令，证明其存在。
3)PC机收到ACK之后发出开始测试指令。
4)机械手收到开始测试指令后向PC机发出ENQ询问，之后PC机回复ACK应答。
5)收到应答后机械手发出工位准备好指令，指示当前机械手有几个工位已经准备好测试。
6)PC机收到工位准备信息后，通知测试机开始在对应工位上进行测试。
7)测试结束后PC机发送询问，机械手应答后，PC机发送分箱信息，机械手进行对应的分箱操作，至此一次测试完毕。
本发明采用机械手模拟器代替机械手进行调试阶段的测试，测试机和PC机无需到现场去连接机械手，不会因误操作而损坏机械手，本发明的额机械手模拟器可以模拟不同型号的机械手：机械手模拟器的具体测试流程如下：
1)首先PC机发送ENQ指令给机械手模拟器，该指令为询问，要求接收后发出响应来验证存在。
2)机械手模拟器收到后返回ACK应答指令，证明其存在。
3)PC机收到ACK之后发出开始测试指令。
4)机械手模拟器收到开始测试指令后向PC机发出ENQ询问，之后PC机回复ACK应答。
5)收到应答后机械手模拟器发出工位准备好指令，指示当前机械手模拟器有几个工位已经准备好测试。
6)PC机收到工位准备信息后，通知测试机开始在对应工位上进行测试。
7)测试结束后PC机发送询问，机械手模拟器应答后，PC机发送分箱信息，机械手进行对应的分箱操作，至此一次测试完毕。
Claims (6)
1.一种基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于，包括机械手模拟器、PC机和测试机，所述机械手模拟器与PC机，所述PC机与测试机连接，所述机械手模拟器包括FPGA、RS232接口、GPIB接口、RAM、LED、按键和软核处理器，所述软核处理器包括CPU、SDRAM、PIO、UART和JTAG，所述软核处理器的固件实现RS232接口和GPIB接口的通讯、以及LED显示及按键接收；
所述软核处理器为NIOS嵌入式处理器，软核处理器利用FPGA的逻辑以及存储器资源构建机械手模拟器的嵌入式系统；软核的设计具体的为在软核中分别添加处理器中的CPU、存储器和存储器控制器中的SDRAM和EPCS 闪存控制器中的PIO、接口协议中的UART和JTAG，并设置时钟和复位，CPU中设置CPU类型；
所述PIO利用HDL进行交互，PIO是和HDL进行普通交互的管脚，设置位宽和信号方向，并作为中断使用，且实现机械手模拟器的GPIB通讯、接收按键信息和输出LED信号；各部分模块都添加好之后使用系统/分配基地址和分配中断编号对基地址和中断号进行自动分配，否则有冲突会报错；UART实现PC和NIOS II系统间的串行通信接口；
RS232接口的通讯通过调用软核处理器中UART模块的发送接收函数实现，GPIB接口的通讯通过PIO和三线挂钩流程实现，在实现RS232接收时用到中断，当满足中断条件时，如UART的数据到来后检测到边沿，程序立即会跳转到中断子程序中，随后储存数据；GPIB由于软核中没有现成模块，所以用固件实现其功能，将PIO配置成GPIB的几个信号：DAV，NRFD，NDAC，D[7:0]，编程实现听和讲的三线挂钩流程，从而实现GPIB接口的通讯功能，PC机的身份有控制器/讲者/听者，机械手模拟器的身份有讲者/听者，PC机和机械手模拟器实时进行双向通信；具体测试流程如下：
1）首先PC机发送ENQ指令给机械手模拟器，该指令为询问，要求接收后发出响应来验证存在；
2）机械手模拟器收到后返回ACK应答指令，证明其存在；
3）PC机收到ACK之后发出开始测试指令；
4）机械手模拟器收到开始测试指令后向PC机发出ENQ询问，之后PC机回复ACK应答；
5）收到应答后机械手模拟器发出工位准备好指令，指示当前机械手模拟器有几个工位已经准备好测试；
6）PC机收到工位准备信息后，通知测试机开始在对应工位上进行测试；
7）测试结束后PC机发送询问，机械手模拟器应答后，PC机发送分箱信息，机械手进行对应的分箱操作，至此一次测试完毕。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于，所述软核处理器的存储器分配包括复位向量指向FPGA的Flash，执行向量指向机械手模拟器的RAM。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于，所述FPGA处理器的型号为EP4CE6E22C8N，所述RAM为64Mbit的SDRAM存储器。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于，所述LED用于显示通讯模式和机械手的分箱状态，当固件经由通讯收到分箱信息后，经过软核处理器的PIO输出到软核外部，用HDL进行编码输出给外部的LED进行显示。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于， 所述按键包括4个用于指示工位状态的拨码开关和一个具备复位功能和通讯模式选择的功能按钮，所述拨码开关开启时表示相应的工位已经准备好，所述功能按钮轻按一下为复位，长按为通信模式切换。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片的机械手模拟测试系统，其特征在于， 采用FPGA中的计数器对功能按钮的信号进行处理，当轻按时计数器计数不够，则直接发送复位信号给软核处理器进行复位操作，当长按时计数器记满，不发送复位信号，而是通过PIO发送模式切换信号给软核处理器，切换通讯模式。
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