CN111813051B - 一种运动控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运动控制装置，包括：通讯总线单元、数据处理单元、内部接口单元以及外部扩展接口单元。数据处理单元与通讯总线单元相连，内部接口单元与通讯总线单元相连，外部扩展接口单元与内部接口单元相连，外部扩展接口单元具有多个扩展接口，外部扩展接口单元用于将扩展接口接收的数据传输给内部接口单元，外部扩展接口单元还用于接收内部接口单元传输的数据，并将该数据由对应的扩展接口向外传输。本发明的上述装置架构简单，可扩展性较强。进一步的是，采用单板机电脑，且采用实时操作系统或裸机中断操作，实时性显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及工业运动控制领域，特别是涉及运动控制装置。
背景技术
在半导体设备、医疗设备中，涉及大量高精密实时运动控制、高速数据采集、实时图像处理和复杂信号处理计算等。复杂的整机设备需要协同多个不同模块和功能模块处理，实现不同复杂的功能组合。在医疗设备中，例如CT、核磁共振等都需要协同整机运动、射频发射、多通道信号接收补偿、信号处理成像等复杂功能，需要利用一个甚至多个主控板及特殊功能板卡进行共振成像和数据处理。
在传统的医疗设备领域，多采用一个或多个单板机电脑为主控，辅以多块DSP+FPGA板卡作为特殊功能模块，进行实时数据处理和计算。在半导体生产检测、高精密仪器设备等领域，都需要涉及到越来越多的运动控制需求，特别是对运动精度和实时性要求也越来越高。这就对控制和计算系统中的电路系统设计提出了高实时性和高计算能力的要求。
另外，对不同的应用领域，会有很多不同的第三方模块和系统的接入，这样对运动控制电路系统的兼容性、灵活性和可扩展性也提出更高的要求。这是由于，现有的运动控制装置的架构中，计算板卡、控制板卡和接口板卡等都使用同一总线放置在同一个主控机箱内，随着运动控制复杂度增加，控制板卡数量增加，总线变得拥挤，需要对控制电路系统层面扩展，进行比较大的修改，难度较大，这就导致可扩展性较低。
发明内容
基于此，提供一种运动控制装置。该装置构架简单、灵活，且易扩展。
一种运动控制装置，包括：
通讯总线单元、数据处理单元、内部接口单元以及外部扩展接口单元，
所述数据处理单元与所述通讯总线单元相连，
所述内部接口单元与所述通讯总线单元相连，
所述外部扩展接口单元与所述内部接口单元相连，
所述外部扩展接口单元具有多个扩展接口，所述外部扩展接口单元用于将扩展接口接收的数据传输给所述内部接口单元，
所述外部扩展接口单元还用于接收内部接口单元传输的数据，并将该数据由对应的扩展接口向外传输。
本发明的上述装置通过设置外部扩展接口单元，使得外部模块先与外部扩展接口单元数据交互，然后统一由外部扩展接口单元与内部接口单元进行数据交互。这样设置，当需要在现有基础上增加一些外部模块时，只需增加外部扩展接口单元即可。这样改动，相对传统的架构来说，难度小很多。因此，本发明的上述装置可扩展性较强。
在其中一个实施例中，所述内部接口单元与多个所述外部扩展接口单元相连。
在其中一个实施例中，所述通讯总线单元为高速串行总线单元或高速并行总线单元。
在其中一个实施例中，所述数据处理单元为多个，所述多个数据处理单元分别与所述通讯总线单元相连。
在其中一个实施例中，所述内部接口单元的数量为1个，所述1个内部接口单元与多个所述外部扩展接口单元相连。
在其中一个实施例中，所述数据处理单元为单板机电脑。
在其中一个实施例中，所述内部接口单元与所述外部扩展接口单元之间通过光纤方式相连。
在其中一个实施例中，所述运动控制装置还包括机箱，所述通讯总线单元、数据处理单元以及内部接口单元设置在所述机箱内部，所述外部扩展接口单元设置在所述机箱外部。
在其中一个实施例中，所述外部扩展接口单元具有协议转换模块，所述协议转换模块用于将各个扩展接口对应的通信协议转换成所述外部扩展接口单元与内部接口单元之间进行数据交互对应的通信协议。
在其中一个实施例中，所述数据处理单元采用实时操作系统或裸机中断操作。
附图说明
图1为本发明的实施例的运动控制装置的电路系统原理图。
图2为本发明的实施例的运动控制装置的控制算法及功能布局图。
图3为本发明的实施例的运动控制装置的数据交互流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种运动控制装置，该装置包括：通讯总线单元、数据处理单元、内部接口单元以及外部扩展接口单元。
所述数据处理单元与所述通讯总线单元相连，所述内部接口单元与所述通讯总线单元相连，所述外部扩展接口单元与所述内部接口单元相连，所述外部扩展接口单元具有多个扩展接口，所述外部扩展接口单元用于将扩展接口接收的数据传输给所述内部接口单元，所述外部扩展接口单元还用于接收内部接口单元传输的数据，并将该数据由对应的扩展接口向外传输。
可以理解，还可以包括上位机，所述上位机，用于整机的上位人机交互和总体设备接入运动控制系统。
本实施例中，所述运动控制装置包括机箱，所述通讯总线单元、数据处理单元以及内部接口单元设置在所述机箱内部，所述外部扩展接口单元设置在所述机箱外部。这样设置，可方便增加和去除相应的外部扩展接口单元。也可方便对外部接口单元进行修改和维修。
例如，当需要增加新的外部模块时，现有的外部扩展接口单元上的扩展接口无法满足需求，这时，可增加一个新的外部扩展接口单元，并将该新的外部扩展接口单元与所述内部接口单元相连即可。然后将需要增加的新的外部模块与新的外部扩展接口单元上对应的扩展接口相连。
具体的，所述通讯总线单元用于与内部接口单元以及数据处理单元进行数据交互。
需要说明的是，所述通讯总线单元可为高速串行总线单元、高速并行总线单元等多种类型的总线单元。
例如，所述通讯总线单元可为VPX通讯总线背板。所述的VPX通讯总线背板依据VPX高速串行总线标准，提供内部接口单元和数据处理单元的连接物理接口。
所述的VPX通讯总线背板及上述机箱可设置至少10槽，满足扩展需求。其中，板卡供电全部由VPX机箱内部电源通过VPX通讯总线背板连接供电。
VPX机箱内部通过VPX通讯总线背板的高速RapidIO、PCIE、GTX/GTR，千兆网等高速串行总线，进行板卡间的数据交互。
本实施例中，所述内部接口单元用于与通讯总线单元以及外部接口扩展单元进行数据交互。其中，1个内部接口单元可与多个外部扩展接口单元相连。
具体的，所述内部接口单元可为内部接口协议板。
进一步的是，为实现数据交互，所述内部接口单元具有协议转换模块。
例如，内部接口单元先将通讯总线单元协议转换为内部接口单元与外部接口扩展单元之间的通信协议，然后与外部接口扩展单元数据交互。内部接口单元将内部接口单元与外部接口扩展单元之间的通信协议转换为通讯总线单元协议，并与通讯总线单元进行数据交互。
例如，所述内部接口单元与所述外部扩展接口单元之间通过光纤方式相连。这时，上述内部接口单元提供VPX总线协议和SFP+或QSFP光纤协议之间的转换。
进一步的是，所述内部接口单元可使用多个高速并行FPGA为主控中心，处理接口及数据流事务。内部接口单元通过VPX的各类高数串行通讯协议，接收来自单板机电脑的数据和命令。在FPGA内部统一编码解码，同步时序触发。同时将通过VPX接收的数据命令，按照本系统约定的数据交互编码格式转换为QSFP和SFP+光通信协议，传递到多个外部扩展接口单元。内部接口单元使用FPGA实时语言VHDL/Verilog编写并行数据交互及时序控制嵌入式软件，高速数据转换及同步处理。
本实施例中，所述外部接口扩展单元用于与内部接口单元以及外部的各个模块进行数据交互。所述外部接口扩展单元上的扩展接口用于与外部模块相连。扩展接口的数量可以为2个，3个或其它数量。所述外部接口扩展单元可以是外部接口扩展板。
需要说明的是，上述外部模块包括实现不同功能的外部模块。上述外部模块可以是各类传感器或执行器等。
例如，上述外部模块为传感器数据采集模块。采集以下信息：
设备状态：供电电流电压、安全逻辑、温度、湿度、状态；
位置信息：电涡流、电容位移、光栅编码器、干涉仪；
模块状态信息：状态、反馈信号等。
例如，上述外部模块为执行器。具体包括：
子系统模块交互执行的数据为：子系统数据、命令、触发信号等；
执行模块交互执行的数据为：执行命令、执行信号、同步信号等；
其它模块交互执行的数据为：自定义命令协议、自定义触发、自定义状态等。
需要说明的是，各个外部模块的标准和通讯协议可能相同，也可能各不相同。如果多个外部模块具有多种通信协议，这时，可通过外部接口扩展单元收发命令数据，统一转换数据格式。也就是，所述外部扩展接口单元具有协议转换模块，所述协议转换模块用于将各个扩展接口对应的通信协议转换成所述外部扩展接口单元与内部接口单元之间进行数据交互对应的通信协议。
所述的外部模块不限总线类型和通讯协议。扩展接入本发明的系统时，接口和控制要求统一由外部扩展接口单元对接转换后再介入本发明的系统。
例如，所述外部接口扩展板用于将外部各模块自定义通讯协议统一转换为SFP+或QSFP协议，进而可与内部接口协议板进行数据交互。
具体的，所述的外部接口扩展单元使用1个或多个高速并行FPGA为主控中心，处理外部模块子系统数据命令接收，及按照本发明的对应系统规定的协议统一编码解码，同步时序触发。同时将通过外部接口扩展单元的子系统自定义的数据总线，转换为QSFP和SFP+的光纤通讯协议，进而上传到本发明的对应系统的内部接口单元。接着，内部接口单元通过通讯总线单元将数据送到对应的数据处理单元。外部接口扩展单元使用FPGA实时语言VHDL/Verilog编写并行数据交互及时序控制嵌入式软件，高速数据转换及同步处理。
需要说明的是，外部扩展接口单元和内部接口单元都使用FPGA为主控芯片，可以并行多任务处理不同的任务。非常容易处理多任务的时钟同步和时序关系，并且在一个子系统内扩展接入其它模块时，可以在不改变原来构架的基础上，增加新的功能需求。
本实施例中，所述数据处理单元用于系统主控和负责算法计算等，并与所述通讯总线单元进行数据交互。所述数据处理单元采用实时操作系统或裸机中断操作。
具体的，所述数据处理单元可为单板机电脑等。上述单板机电脑可为多个，例如，2个，3个，5个等，可根据实际需求进行设定。且各个单板机电脑分别与所述通讯总线单元相连。
具体的，所述单板机电脑，为使用Intel X86构架的大于I7配置的CPU组成的单板机电脑。
具体的，所述单板机电脑后面板接口为VPX接口。单板机电脑插在VPX机箱内部插槽，由VPX通讯总线背板提供供电。
单板机电脑前面板拓展有两个RJ45接口，2个USB3.0，1个电雷接口，2个SMA同步信号接口，1个display接口，提供用户通用UI接口及交互功能。其中一块单板机电脑作为主站，负责主系统任务及时序安排。其余多块单板机电脑负责特殊功能实现及复杂计算功能，时序和功能调度由主站单板机电脑负责。所述的多块单板机电脑，使用精简RTOS和直接X86底层裸奔中断调度实现主控调度、特殊功能和复杂计算。
需要说明的是，作为优先，上述单板机电脑使用计算功能强大的X86构架，以及使用I7以上多核处理器芯片。不使用类如Window、Linux及其扩展的操作系统，这样可避免因为操作系统带来的线程延迟和总线拥堵，影响系统实时性和计算性能。本发明部署在单板机电脑上的RTOS实现方式可以有如下两种，对开源Linux内核进行裁剪，只保留本系统需要的引导启动、进程管理、内核管理、异常/中断处理、精简文件系统，及实际系统相关的总线驱动即可，移除内部的应用层、多余的设备驱动；另外一种是直接使用X86底层中断指令调用X86多核进行实时任务处理。
以下举例说明本发明的上述运动控制装置的实时任务循环处理流程。
首先，所述通讯总线单元为VPX通讯总线背板。所述数据处理单元可为单板机电脑。所述内部接口单元可为内部接口协议板。所述外部接口扩展单元可为外部接口扩展板。所述的内部接口协议板、多块单板机电脑通过VPX总线在VPX通讯总线背板上相连。所述的内部接口协议板和外部接口扩展板通过SFP+或QSFP光纤方式相连。所述的外部模块依据模块本身通讯协议和外部接口控制板相连。
其次，如图3所示，具体流程如下：
a.一号子系统的传感器模块(x,y,…)，按本身固定的采样频率采集信息，然后以本模块自身的协议（串行、并行、RS485、Can、Ethernet、Aurora或厂商自定义通讯方式）和外部扩展接口板进行数据交互；
b.外部扩展接口板在硬件上有匹配接口，通过FPGA接收数据并添加数据包的时间戳，按照系统需求将不同数据包打包处理，转为光通信方式上传到内部接口协议板；
c.内部接口协议板通过光通讯接口，接收外部扩展板的把包送上来的数据包，依据系统约定的协议解包。对不同的传感器的数据，分别使用实时性要求不同的数据总线传输（SRIO>PCIE>Ethernet），传输到该数据需要接受的单板机电脑处理，其中所有总线和多个单板机资源任务冲突，由主站单板机电脑裁决调配；
d.对应单板机电脑接收到内部接口协议板的数据后，触发单板机电脑中断，任务进程开始运行，带任务处理完成后，将结果通过VPX标准的对应高速串行总线传递到内部接口协议板；
e.内部接口协议板通过光通讯接口，接收处理结果数据，统一时序并打上时间标签，然后打包通过光纤将数据传递到外部扩展接口板；
f.外部扩展接口板接收内部接口协议板反馈数据，按照约定协议解包，将对应的数据按时序，以模块的通讯协议标准，发送到对应的执行器模块执行；
g.一号子系统的执行器模块(m,n,…)接收外部扩展接口板的数据或命令，执行相应动作。
通过以上分析可知，本发明具有以下有益效果：
1.单板机电脑采用实时操作系统或裸机中断操作，实时性显著提高，可以负责更多控制、计算和特殊功能实现。
2.计算和控制功能固件及嵌入式软件在通用X86平台上实现，减少DSP和FPGA的算法和特殊功能固件开发难度。
3.运动控制电路系统构架更加清晰简洁，统一构架下采用相同的光纤通讯协议接入到运动控制机箱。
4.运动控制电路系统构架更加灵活易扩展，多运动台或模块接入时，先使用外部扩展接口板转换通讯协议及预处理，再通过光纤通讯协议接入到运动控制机箱。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种运动控制装置，其特征在于，包括：
通讯总线单元、数据处理单元、内部接口单元以及外部扩展接口单元，
所述数据处理单元与所述通讯总线单元相连，
所述内部接口单元与所述通讯总线单元相连，
所述外部扩展接口单元与所述内部接口单元相连，
所述外部扩展接口单元具有多个扩展接口，所述外部扩展接口单元用于将扩展接口接收的数据传输给所述内部接口单元，
所述外部扩展接口单元还用于接收内部接口单元传输的数据，并将该数据由对应的扩展接口向外传输，
所述数据处理单元为单板机电脑，所述单板机电脑使用X86构架，
所述内部接口单元与所述外部扩展接口单元之间通过光纤方式相连，
所述运动控制装置还包括机箱，所述通讯总线单元、数据处理单元以及内部接口单元设置在所述机箱内部，所述外部扩展接口单元设置在所述机箱外部，
所述外部扩展接口单元具有协议转换模块，所述协议转换模块用于将各个扩展接口对应的通信协议转换成所述外部扩展接口单元与内部接口单元之间进行数据交互对应的通信协议。
2.根据权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于，所述内部接口单元与多个所述外部扩展接口单元相连。
3.根据权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于，所述通讯总线单元为高速串行总线单元或高速并行总线单元。
4.根据权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于，所述数据处理单元为多个，所述多个数据处理单元分别与所述通讯总线单元相连。
5.根据权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于，所述内部接口单元的数量为1个，所述1个内部接口单元与多个所述外部扩展接口单元相连。
6.根据权利要求1所述的运动控制装置，其特征在于，所述数据处理单元采用实时操作系统或裸机中断操作。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Room 601, Building D, Zhonghe (Suzhou) Science and Technology Innovation Port, No. 588 Xiangrong Road, High Speed Rail New City, Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province, 215000 (6th and 7th floors) Patentee after: Jiangsu Jicui sukesi Technology Co.,Ltd. Country or region after: Zhong Guo Address before: Room 601-a109, Tiancheng information building, 88 Tiancheng Road, high speed rail new town, Xiangcheng District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee before: Jiangsu Jicui sukesi Technology Co.,Ltd. Country or region before: Zhong Guo |
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| CP03 | Change of name, title or address |