CN115586737B - 基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及贴片机控制技术领域，具体公开了一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法及系统所述方法包括以下步骤：上位机根据贴装动作流程创建控制指令集；主控制器与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备；从设备根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器，且主控制器监控从设备的指令执行状态。该方案建立了完整的软硬件交互数据结构和交互模式，采用了以软硬件协同控制为主要设计方法，将高速执行的贴装流程在硬件上执行，大大减少了软硬件之间的数据传输，使贴装过程兼具软件的灵活性以及硬件的高性能执行优势。

Description

基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法及系统

技术领域

本发明涉及贴片机控制技术领域，具体地涉及一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法及系统。

背景技术

贴片机贴装元件过程由多轴与部件协同运动实现元件吸取、元件识别、元件贴装等动作流程，为提高生产效率和贴装质量，需要多轴运动控制系统、电机驱动和数控系统等紧密配合，实时控制和协调各个轴与部件之间的运动关系，保证不同电机间转速或位移同步，因此，若轴或部件动作衔接周期偏长，将严重制约贴装效率。

贴片机中轴与部件分布动作需要一系列的控制指令，这就要求贴片机控制系统具有高效的数据传输、极低的交互时延和良好的灵活性等。若仅采用硬件实现控制，虽有着很高的执行效率，但由于硬件FPGA自身的特点，不适合进行复杂的贴装动作控制，如贴装动作子流程控制、复杂的判断结构、标记点识别等，各动作流程通用性差，缺乏灵活性，同时涉及到浮点型运算（如PCB倾斜误差补偿运算），难免会存在开发周期长、增大开发难度等不足；若仅利用纯软件或嵌入式处理器实现控制，虽CPU处理器具有高灵活的控制贴装动作子模块，但对操作系统而言，CPU只能单条处理，且在CPU利用率、上下文切换开销和内存利用率等条件限制下，难以大规模并行处理，会有较高的指令交互时延，导致各轴和部件运动控制时序不同步，引起轴和部件动作衔接慢，进而降低了贴片机效率。

可见，常规的控制方法，没有关注贴片机在运行过程中软硬件架构的交互细节，即软硬件协同细节，进而也难以对硬件的行为和软件交互进行建模分析，检测不出实际运行过程可能产生的一些漏洞。在贴片机协同控制上，不但要求控制系统整体工作具有高性能，而且要求控制系统能提供灵活的运动方式，软件和硬件需紧密耦合在一起的，软件和硬件任何一部分设计有缺陷，或者两者协调有问题，都将导致整个协同控制系统设计的失败。因此，常规的控制方法无法满足贴片机控制系统中软件和硬件紧密协同的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法及系统，采用了以软硬件协同控制为主要设计方法，将高速执行的贴装流程在硬件上执行，大大减少了软硬件之间的数据传输，使贴装过程兼具软件的灵活性以及硬件的高性能执行优势。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法，包括以下步骤：

上位机根据贴装动作流程创建控制指令集；

主控制器与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备；

从设备根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器，且主控制器监控从设备的指令执行状态。

本发明第二方面提供了一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制系统，包括：

上位机，用于根据贴装动作流程创建控制指令集；

主控制器，用于与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备，同时监控从设备的指令执行状态；

从设备，用于接收主控制器下发的控制指令，根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器。

本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法的步骤。

通过上述技术方案，建立了完整的软硬件交互数据结构和交互模式，提供了软件和硬件紧密协同的贴装方法，一方面将占据大量任务时间的关键任务映射到硬件上执行，大大降低了各轴运动动作衔接时延，提高了系统执行效率；另一方面将复杂的贴片机元件贴装动作流程指令分割为软件创建和硬件执行，即将繁杂的贴装动作和底层硬件执行进行了有效割离，减少了软硬件之间的数据传输，提升了应用灵活性，提高了系统集成效率。

附图说明

图1为本发明贴片机硬件系统平台架构框示意图；

图2为本发明基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制指令交互示意图；

图3为本发明实施例指令协议数据结构示意图；

图4为本发明实施例主控制器执行队列通道指令工作流程示意图；

图中，1、指令队列；2、从设备；3、完成状态码缓存；4、部件动作控制指令；5、完成状态码监控指令。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

为了提高贴片机多轴、多部件贴装运动的同步/协同控制，本发明从硬件系统平台架构和控制策略两个方面出发，第一方面提出了一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法，包括以下步骤：

S1、上位机根据贴装动作流程创建控制指令集；

S2、主控制器与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备；

S3、从设备根据控制指令执行贴装动作流程，并将执行信息上传至主控制器，由主控制器监控从设备的指令执行状态。

上述基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法所采用的贴片机硬件系统平台架构框图如图1所示，硬件架构采用主从架构模式，该结构主要包括3个部分，第1部分是主控制器为主设备，主控制器是整个贴片机设备的控制中心，它接收上位机的软件发来的控制指令，再根据控制指令中的从设备地址发送到从设备控制器，同时接收从设备控制器反馈的工作状态；第2部分是硬件子模块为从设备，响应主控制器的指令和所需要的信息反馈至主控制器；第3部分是上位机，软件根据元件贴装动作流程创建指令集，再将指令集写入主控器相应执行通道中，主控制器与上位机通过PCIe接口实现通信。

主控制器与从设备的交互具体过程是：每个从设备具有唯一的地址，根据地址对从设备进行区分，被选中的从设备可与主控制器交互数据，从而保证主控制器只与被选从设备进行点对点通信，主控制器通过系统总线与各从设备进行数据与指令交互。各从设备之间保持相对独立性，互不影响，保证了数据的可靠性。

软硬件交互机制原理是：上位机将控制指令集写入主控制器，主控制器解析下发的控制指令，并将控制指令下发给对应的从设备，从设备根据控制指令控制轴或部件运动，从设备处理完成后通过总线通知主控制器指令执行完成。

多个硬件子模块从设备主要包括：XY运动模块，贴装头模块、传送轨道模块和送料器模块，各从设备贴装动作实现预定具体功能。

进一步地，步骤S2中主控制器与上位机信息交互方法如下：上位机将控制指令集写入主控制器的队列通道和/或立即执行通道缓冲区；其中，所述队列通道用于缓存来源于上位机的部件动作控制指令和监控指令形成的指令队列；如图3所示，所述立即执行通道用于执行来源于上位机的部件动作控制指令，即收到控制指令时，立即下发到相应的从设备，且不缓存任何指令，该缓存区不执行监控指令。

示例性地，图2为基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制指令交互示意图，如图2所示，主控制器设计了两种工作通道： 指令“队列通道”和“立即执行通道”上位机根据贴装流程将轴和部件的动作创建指令集，通过PCIe接口写入主控制器指令队列通道或立即执行通道缓冲区中，主控制器解析接收到的指令并分发到相应的从设备中执行，同时主控制器监控从设备指令的执行状态，将高速执行的贴装流程实现了由硬件独立执行完成，实现了贴片机各部件同步/协同控制。

进一步地，主控制器中指令队列通道中执行指令的方法是：主控制器依次执行队列通道的所述控制指令集，当主控制器执行部件动作控制指令时，主控制器根据该部件动作控制指令中的从设备地址分发到对应的从设备中执行；当主控制器执行监控指令时，主控制器先根据监控指令信息判断是否满足监控条件，若满足监控条件，则继续执行队列通道中的下一条控制指令，若不满足监控条件，则进行等待直至满足监控条件。

进一步地，所述部件动作控制指令是由从设备执行控制轴或部件动作，所述部件动作控制指令包含从设备地址、轴或部件控制参数和指令标识，图3为控制指令的协议数据结构示意图。其中，指令标识用于标识从设备执行对应指令的完成状态，即当从设备完成该指令时，主控制器轮询从设备，查询是否完成。进一步地，所述轴或部件控制参数具体是用于控制对象为轴或设备部件的动作参数；其中，对于控制对象为轴，控制参数包括轴运动的目标位置、轴运动速度和轴运动加速度参数，对于设备部件的控制参数为设备的特定动作参数，包括档销部件的升起或下降动作、贴装头真空压部件的吸气或停气或吹气参数等。

进一步地，所述监控指令仅由主控制器执行，本发明设计了2种类型的监控指令模式，分别为：轴停止监控指令和完成状态码监控指令，图3为这两种监控指令的协议数据结构示意图。其中轴停止监控指令是监控轴运动状态，该指令信息必须包含从设备地址和待监控轴的编号，监控条件为当指定的轴状态为静止时，则该监控指令视为完成。完成状态码监控指令是用于监控部件动作控制指令是否执行完成，当主控制器动态查询到完成状态码监控指令对应的完成状态码时，视为执行完成，所述完成状态码由从设备的编号和指令标识构成。

示例性地，主控制器执行队列通道指令工作流程如图4所示，上位机根据贴装动作需求，将贴片机各轴与部件的动作转换为相应的控制指令集写入主控制器队列通道，如图4所示，指令队列1中的指令集长度为7。当主控制器检测到队列通道中有指令时，主控器按照队列写入顺序，依次执行队列中[0]与[1]位置的部件动作控制指令4，依据部件动作控制指令4中的从设备2的地址0x01、0x03，将部件动作控制指令4发送到相应的从设备S1和从设备S3，从设备S1和从设备S3根据接收到的部件动作控制指令4中的部件控制参数执行设备部件动作，当从设备S1、从设备S3执行部件动作完成后，将部件动作控制指令4中的指令标识A1、A2反馈到主控制器，主控制器将收到的指令标识A1、A2写入完成状态码缓存3。

当主控器执行监控指令时，判断为轴停止监控指令还是完成状态码监控指令，若为轴停止监控指令，则主控制器根据轴编号判断当前轴是否为静止状态，若轴状态为静止则视为该指令完成；若为完成状态码监控指令5，则主控制器根据从设备地址和指令标识，根据完成状态码缓存3中的信息，判断从设备的部件动作控制指令是否完成，若完成则视为完成，若未完成则等待。进一步的执行队列中[2]与[3]位置的完成状态码监控指令5，根据完成状态码监控指令5中的完成状态码标识A1、A2，动态对比完成状态码缓存3是否有A1、A3完成状态码标识，若有，则完成状态码监控指令5中[2]与[3]监控指令视为完成。

进一步地，基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法还包括主控制器轮询从设备的部件动作控制指令完成状态，具体过程如下：从设备执行完由主控制器下发的部件动作控制指令后，将对应的指令标识更新到完成状态码中并反馈至主控制器，主控制器查询到完成状态码更新状况，待主控制器轮询查询完成后，清除并重置完成状态码。优选地，重置完成状态码为0，因此重置前的完成状态码不能为0。进一步地，基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法还包括主控制器监控部件动作控制指令是否超时，具体过程如下：主控制器监控到从设备开始执行部件动作控制指令后，启动定时器，定时时长为预设的参数阈值，若在定时过程中接收到“部件动作指令”为已完成，则停止定时器，否则当定时结束时，视为指令执行超时，执行报错。

上位机的软件除了要将复杂贴装动作转换为指令集外，还要负责与用户进行交互，即显示主控制器和从设备的状态信息。考虑到主控制器与上位机采用PCIe接口，单独使用中断或轮询均难以提高系统的交互效率方法，这是因为若完全采用中断，PCIe中断属于硬中断，比软中断处理程序的优先级高，当主控板过于频繁，硬中断处理程序会一直占用CPU，软中断处理程序被硬中断中止，软中断处理程序得不到有效执行，造成程序执行效率低。若完全采用轮询驱动的模式，过快的轮询就会加重CPU的负担，造成性能下降。在实际的贴装流程生产中，部件动作控制指令完成的时间是难以准确预测的，这时使用中断驱动机制具有很好的交互性能；在设备处于待机状态时，从设备的基本上为一个稳定的状态，这时利用轮询机制具有很高的交互性能。因此为提高软硬交互性能，部件动作控制指令时状态信息采用中断交互模式由上位机从主控制器读取获得，而从设备和主控制器状态信息采用上位机轮询交互机制获取信息，优选地，轮询间隔为200~500ms；进一步优选为200ms。

综上，本发明针对硬件平台主从架构模式，在主控制器上采用指令队列控制方法，利用软件将复杂的贴装流程数据转换为指令集，一次写入主控制器上的队列通道，主控制器依次执行解析、分发、执行和等待监控操作，利用轴静止监控和完成状态码监控方法将高速执行的贴装流程动作在硬件上执行，实现了高效的贴装动作并行与串行执行顺序，大大减少了软硬件之间的数据传输，同时获得软件的灵活性以及硬件的高性能执行优势，有效克服在实际应用中存在的速度和灵活性之间的瓶颈。

基于同一发明构思，本发明第二方面提供一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制系统，包括：

上位机，用于根据贴装动作流程创建控制指令集；

主控制器，用于与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备，同时监控从设备的指令执行状态；

从设备，用于接收主控制器下发的控制指令，根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器。

进一步地，所述主控制器包括：

队列通道模块，用于缓存来源于上位机的部件动作控制指令和监控指令形成的指令队列；

立即执行通道模块，用于执行来源于上位机的部件动作控制指令；

监控模块，用于监控到从设备开始执行部件动作控制指令后，启动定时，若在预设时长内接收到来自从设备的部件动作控制指令已完成信息，则停止计时，否则当定时结束时，视为指令执行超时，执行报错。

进一步地，所述上位机包括轮询模块和中断模块，

所述轮询模块用于从设备执行完由主控制器下发的部件动作控制指令后，将对应的指令标识更新到完成状态码中并反馈至主控制器，控制主控制器查询到完成状态码更新状况，待主控制器轮询查询完成后，清除并重置完成状态码；

所述中断模块用于按预设时间间隔读取主控制器数据。

本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法的步骤。

综上所述，本发明通过以软硬件协调控制的贴片机控制方案，建立了完整的软硬件交互数据结构和交互模式，提供了软件和硬件紧密协同的贴装方法，一方面将占据大量任务时间的关键任务映射到硬件上执行，大大降低了各轴运动动作衔接时延，提高了系统执行效率；另一方面将复杂的贴片机元件贴装动作流程指令分割为软件创建和硬件执行，即将繁杂的贴装动作和底层硬件执行进行了有效割离，也减少了软硬件之间的数据传输，提升了应用灵活，提高了系统集成效率。

此外，本发明实施例中，构建了贴片机在运行过程中软硬件架构的交互细节，有效地实现了对硬件的行为和软件交互建模分析，得到了软件和硬件紧密耦合在一起，进而在贴片机协同控制系统整体上不但实现了高性能，而且提高了灵活性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

上位机根据贴装动作流程创建控制指令集；

主控制器与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备；所述主控制器与上位机信息交互方法如下：上位机将控制指令集写入主控制器的队列通道和立即执行通道缓冲区；其中，所述队列通道用于缓存来源于上位机的部件动作控制指令和监控指令形成的指令队列；所述立即执行通道用于执行来源于上位机的部件动作控制指令，不执行监控指令；所述监控指令包括轴停止监控指令和完成状态码监控指令；所述轴停止监控指令用于监控从设备的轴运动状态，所述轴停止监控指令包含从设备地址和待监控轴的编号；所述完成状态码监控指令用于监控部件动作控制指令是否执行完成，当主控制器查询到完成状态码监控指令对应的完成状态码时，视为执行完成，所述完成状态码由从设备的编号和指令标识构成，所述指令标识用于标识从设备执行该指令的完成状态；

从设备根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器，且主控制器监控从设备的指令执行状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述队列通道执行指令的方法是：主控制器依次执行队列通道的所述指令集，当主控制器执行部件动作控制指令时，主控制器根据该部件动作控制指令中的从设备地址分发到对应的从设备中执行；当主控制器执行监控指令时，主控制器先判断是否满足监控条件，若满足监控条件，则继续执行队列通道中的下一条控制指令，若不满足监控条件，则进行等待直至满足监控条件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述部件动作控制指令包含从设备地址、轴或部件控制参数和指令标识，所述指令标识用于标识从设备执行对应指令的完成状态。

4.根据权利要求3所示的方法，其特征在于，所述监控条件为当指定的轴状态为静止时，则该监控指令视为完成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括主控制器监控部件动作控制指令是否超时，具体过程如下：

主控制器监控到从设备开始执行部件动作控制指令后，启动定时，若在预设时长内接收到来自从设备的部件动作控制指令已完成信息，则停止计时，否则当定时结束时，视为指令执行超时，执行报错。

6.根据权利要求2-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括主控制器轮询从设备的部件动作控制指令完成状态，具体过程如下：

从设备执行完由主控制器下发的部件动作控制指令后，首先将对应的指令标识更新到完成状态码中并反馈至主控制器，随后主控制器缓存从设备完成状态码，最后主控制器进一步清除从设备的完成状态码信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上位机与主控制器采用PCIe接口连接，所述上位机按预设时间间隔读取主控制器数据。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述从设备包括XY运动模块、贴装头模块、传送轨道模块或送料器模块。

9.一种基于软硬件协同处理的贴片机贴装控制系统，其特征在于，包括：

上位机，用于根据贴装动作流程创建控制指令集；

主控制器，用于与上位机信息交互，解析由上位机下发的控制指令，执行解析的控制指令并将解析的控制指令下发给从设备，同时监控从设备的指令执行状态；所述主控制器与上位机信息交互方法如下：上位机将控制指令集写入主控制器的队列通道和立即执行通道缓冲区；其中，所述队列通道用于缓存来源于上位机的部件动作控制指令和监控指令形成的指令队列；所述立即执行通道用于执行来源于上位机的部件动作控制指令，不执行监控指令；所述监控指令包括轴停止监控指令和完成状态码监控指令；所述轴停止监控指令用于监控从设备的轴运动状态，所述轴停止监控指令包含从设备地址和待监控轴的编号；所述完成状态码监控指令用于监控部件动作控制指令是否执行完成，当主控制器查询到完成状态码监控指令对应的完成状态码时，视为执行完成，所述完成状态码由从设备的编号和指令标识构成，所述指令标识用于标识从设备执行该指令的完成状态；

从设备，用于接收主控制器下发的控制指令，根据控制指令执行部件动作，并将执行信息上传至主控制器。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述主控制器包括：

监控模块，用于监控到从设备开始执行部件动作控制指令后，启动定时，若在预设时长内接收到来自从设备的部件动作控制指令已完成信息，则停止计时，否则当定时结束时，视为指令执行超时，执行报错。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述上位机包括中断模块和轮询模块；

所述中断模块用于利用主控制器中断信号从主控制器中读取控制指令的状态信息；

所述轮询模块用于利用上位机轮询主控制器，由上位机从主控制器中读取从设备和主控制器的状态信息，轮询间隔为200~500ms。

12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，所述程序能够被处理器执行以实现如权利要求1-8中任一所述的方法的步骤。

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