CN115903634B - 一种支持随动功能的运动控制芯片及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持随动功能的运动控制芯片及其控制方法，包括主控模块、运动控制模块和随动信号控制模块。主控模块用于接收上位机或其他主控数据，并对运动控制模块进行数据传输，以及将信号向外部输出，与其他芯片的主控模块进行数据交互，配置芯片初始参数。运动控制模块用于收到主控模块的配置参数和运动指令后执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向外发出脉冲信号。随动信号控制模块用于处理随动信号或将随动信号向外部输出，包括主模式和从模式两种工作模式。本发明通过芯片与芯片直接联动实现运动控制轴扩展，增加芯片应用的灵活性且扩展无数量限制，主芯片能够通过随动信号实时将从芯片的数据进行更新，联动扩展同步效果更好。

Description

一种支持随动功能的运动控制芯片及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域和电子信息领域，尤其涉及一种支持随动功能的运动控制芯片及其控制方法。

背景技术

随着工业控制行业自动化程度越来越高，在一些大型汽车组装工厂和食品包装工厂，都会采用机械臂来代替人工来进行简单的组装与包装工作，这些应用场景通常需要很多个机械臂来执行相同的动作，容易出现控制器轴数量不足的问题。

目前实现信号扩展的方法可分为两种，一种是基于单颗芯片进行轴扩展，另一种是采用多颗芯片联动实现轴扩展。

基于单颗芯片进行轴扩展的方式，此方式需要改变芯片内部的算法，通过增加运动控制相关的代码来增加单个芯片的轴数量，这种方式会增加算法对IO口的需求，降低了普适性。同时芯片的IO口数量有限，用这种方式实现运动控制扩展存在数量上的限制。

采用多颗芯片联动实现轴扩展的方式，如MCX314进行运动控制联动扩展，该方法的优点是，相比上述方法此方法运动扩展无数量限制，可扩展多个运动轴。但它同时也存在缺点。由于时钟异步与算法延时的关系，即使配置了同样的参芯片与芯片之间的脉冲频率也很难达到一致。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种支持随动功能的运动控制芯片及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种支持随动功能的运动控制芯片，该运动控制芯片包括主控模块、运动控制模块和随动信号控制模块；

所述主控模块用于接收上位机或其他主控下发的数据，并对运动控制模块进行数据传输，以及与其他运动控制芯片的主控模块进行数据交互，配置芯片初始参数；

所述运动控制模块用于收到主控模块的配置参数和运动指令后执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向随动信号控制模块和运动控制输出端发出脉冲信号；

所述随动信号控制模块用于接收脉冲信号作为随动信号或将随动信号向外部输出，包括主模式和从模式两种工作模式；

主模式下，运动控制芯片为主芯片，随动信号控制模块无需接收随动信号，运动控制模块开始执行运动指令时，随动信号控制模块访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号向其他运动控制芯片的随动信号控制模块输出；

从模式下，运动控制芯片为从芯片，随动信号控制模块既能对外发送随动信号，也能接收随动信号；当随动信号控制模块收到随动信号时，随动信号控制模块将接收的随动信号进行转发传给下一个从芯片再进行同步化处理，通过有效电平计数的方式，对随动信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对随动信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个随动信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，得到从芯片插补运动的速度周期，将从芯片插补运动的速度周期更新至从芯片的运动控制模块中，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，实现运动控制的随动效果。

进一步地，所述运动控制模块，含有数值微分法DDA运动控制算法，实现独立4轴驱动、插补驱动、速度控制和多轴单轴控制。

进一步地，随动信号控制模块将收到的脉冲信号转换为对应的运动参数，同时根据用户配置将脉冲信号向其他运动控制芯片的随动信号控制模块输出，用于处理随动信号接收与发送。

进一步地，所述主控模块能够使用具有驱动能力的外部芯片替代，包括CK804、ARMCortex-M4、麒麟A1。

进一步地，上位机或其他主控根据用户需求对运动控制芯片进行运动参数配置。

进一步地，运动控制芯片还包括AHB总线模块，具有多个AHB通信接口，部署在主控模块、运动控制模块和随动信号控制模块中，将各模块的数据进行交互。

进一步地，运动控制芯片还包括SPI模块，通过SPI模块实现将运动控制芯片的主控模块数据与另一块运动控制芯片的主控模块进行交互。

进一步地，运动控制芯片还包括UART模块，通过UART模块实现上位机与运动控制芯片的数据交互。

进一步地，运动控制芯片还包括GPIO控制模块，与随动信号控制模块连接，用户能够自定义输入输出脚，用于将运动控制芯片内部的随动信号输出至芯片外部或者把外部的随动信号引入运动控制芯片。

另一方面，本发明还提供了一种支持随动功能的运动控制芯片的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）用户通过上位机或其他主控与各运动控制芯片的主控模块进行数据交互，根据寄存器表配置各运动控制芯片的初始参数，并对运动控制模块进行数据传输；

（2）运动控制芯片的运动控制模块根据用户的配置信息，执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向随动信号控制模块和运动控制输出端发出脉冲信号；随动信号控制模块接收脉冲信号作为随动信号，并判断是开启主模式或者从模式；

（3）主芯片在开启运动时，随动信号控制模块访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号向从芯片的随动信号控制模块输出；

（4）从芯片接收主芯片发送的随动信号，通过有效电平计数的方式，对随动信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对随动信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个随动信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，得到从芯片插补运动的速度周期；

（5）从芯片将从芯片插补运动的速度周期更新至本芯片内的运动控制模块，转换成运动数据，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，达到运动控制的随动效果，同时从芯片将随动信号进行转发，发送给下一个从芯片再进行同步化处理，完成脉冲输出。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1. 通过芯片与芯片直接联动实现运动控制扩展，相比于现有方案基于一颗芯片改变算法实现运动控制扩展的方式，极大增加了芯片应用的灵活性且扩展无数量限制，可根据不同的需求实现多种运动控制扩展。

2. 本发明支持主从两种工作模式，主芯片能够通过随动信号实时将从芯片的数据进行更新，相比较采用传统芯片联动扩展方式，本发明的联动扩展同步效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的一种支持随动功能的运动控制芯片的结构图。

图2为本发明的一种支持随动功能的运动控制芯片的应用实例。

图3为随动信号脉冲周期图。

图4为本发明一种支持随动功能的运动控制芯片的控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

本发明提出一种支持随动功能的运动控制芯片，可用于提升工业控制中运动轴数量，采用该芯片，可以在需要轴扩展的场景下，灵活的实现运动控制轴扩展，不存在数量限制，且从芯片都由主芯片驱动，保证了运动控制的同步性与准确性。在执行多轴运动控制时，可实现芯片之间的随动，可增加芯片运动控制扩展的灵活性，能应用于更多的场景，同时附带随动功能，能让芯片的运动控制扩展同步效果更好，可满足高精度运动扩展需求。

如附图1所示，本发明提出一种支持随动功能的运动控制芯片包含主控模块、运动控制模块、包含多个AHB通信接口的AHB（高级高性能总线）总线模块、APB（外围总线）转换模块、SPI（串行外设接口）模块、UART（串口通信）模块、GPIO（通用型输入输出模块）控制模块和随动信号控制模块，支持主从两种工作模式。

AHB总线模块支持高速的片内通信，能将各模块的数据进行交互，保证芯片内部通信快速且稳定。

APB转换模块主要作用在于能够将AHB总线的数据传输给UART模块、SPI模块与GPIO控制模块，保证芯片与外部通信的正常。

SPI模块与UART模块主要用于芯片与外部信号进行通信，SPI模块能够将芯片的数据与另一块芯片进行交互，而UART模块可以实现上位机或其他主控与运动控制芯片的数据交互。

GPIO控制模块支持用户自定义输入输出脚，与随动信号控制模块连接，能将运动控制芯片内部信号输出至芯片外部也能把外部随动信号引入运动控制芯片。

主控模块含有AHB通信接口。AHB通信接口可通过APB转换模块接收上位机或其他主控下发至串口模块的数据，上位机或其他主控可根据用户需求对芯片进行运动参数配置。同时AHB通信接口还可供主控模块对运动控制模块进行数据传输，将上位机下发的配置参数下发至运动控制模块。最后主控模块还可以通过AHB通信接口将信号发送至SPI模块向外部输出，与其他芯片的主控模块进行数据交互，配置芯片初始参数。

本发明采用芯片内部实现主控模块为其中一种实例，也可以将主控模块改用其他具有驱动能力的外部芯片，包括CK804、ARM Cortex-M4、麒麟A1等。

本发明采用串口实现芯片与上位机或其他主控的通信为其中一种实例，也可以改用其他通信协议进行数据传输。

本发明采用AHB总线实现芯片内的数据传输为其中一种实例，也可以改用其他通信协议进行数据传输。

运动控制模块含有AHB通信接口与外部脉冲端口，支持多轴运动控制功能。其中AHB通信接口能与主控模块进行数据传输，可接收主控模块下发的配置参数。此模块含有标准运动控制算法（数值微分法DDA）能支持多种运动控制包括独立4轴驱动、插补驱动、速度控制、多轴单轴控制功能，可满足多种应用需求。模块在收到主控模块的配置参数和运动指令后会执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向外发出脉冲信号。

随动信号控制模块有AHB通信接口，将收到的脉冲信号转换为对应的运动参数，同时也可以根据用户配置将运动脉冲信号向其他运动控制芯片的随动信号控制模块输出，用于处理随动信号接收与发送，具体为：可处理由GPIO控制模块接收的随动信号也能将随动信号经GPIO控制模块向外部输出，支持两种工作模式，可通过配置寄存器的方式来分别开启主模式和从模式。主模式下，芯片会通过随动信号来实时更新从芯片的运动参数，实现从芯片的运动参数随着主芯片变化而变化，达到主从芯片随动的效果。芯片在从模式下，可处理主芯片发送的随动信号，同时可以将信号转化为运动数据，来更新从芯片的运动参数，且能在此数据基础上进行倍数缩放，满足各种应用需求，并能够将随动信号转发至下一块从芯片。具体实现如下：

主模式下，运动控制芯片为主芯片，随动信号控制模块无需接收随动信号，主控模块将配置参数下发，运动控制模块开始执行运动指令时，随动信号控制模块首先会判断当前运动是否为随动模式。若此时为随动模式，随动信号控制模块会访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号传输至GPIO模块并向外部输出，传递给其他运动控制芯片的随动信号控制模块。反之，当随动模式未开启时，主芯片将不会发送随动信号，主芯片将按照初始配置进行运动控制。

从模式下，运动控制芯片为从芯片，随动信号控制模块既能向上述主模式一样通过GPIO控制模块对外发送随动信号，也能通过GPIO控制模块接收随动信号。当随动信号控制模块收到随动信号时，随动信号控制模块首先会判断当前运动是否为随动模式。若此时为随动模式。随动信号控制模块会将接收的信号进行转发传给下一个从芯片再进行同步化处理，通过有效电平计数的方式，对信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，就得到了从芯片插补运动的速度周期，通过AHB总线模块将从芯片插补运动的速度周期更新至从芯片的运动控制模块中，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，实现运动控制的随动效果。反之，当随动模式未开启时，从芯片亦不会接收随动信号，从芯片将按照初始配置进行运动控制。

本发明提供的支持随动功能的运动控制芯片，可应用于大规模自动化控制，能将主芯片的轴信号进行灵活扩展，实现主从随动的效果。在需要改变运动参数时，只用改变主芯片的参数，其他从芯片会自动同步新数据。

另一方面，如图4所示，本发明还提供了一种支持随动功能的运动控制芯片的控制方法，该方法包括以下步骤：

（1）用户通过上位机或其他主控与各运动控制芯片的主控模块进行数据交互，根据寄存器表配置各运动控制芯片的初始参数，并对运动控制模块进行数据传输；

（2）运动控制芯片的运动控制模块根据用户的配置信息，执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向随动信号控制模块和运动控制输出端发出脉冲信号；随动信号控制模块处理脉冲信号作为随动信号，并判断是开启主模式或者从模式；

（3）主芯片在开启运动时，随动信号控制模块访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号向从芯片的随动信号控制模块输出；

（4）从芯片接收主芯片发送的随动信号，通过有效电平计数的方式，对随动信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对随动信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个随动信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，得到从芯片插补运动的速度周期；

（5）从芯片将从芯片插补运动的速度周期更新至本芯片内的运动控制模块，转换成运动数据，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，达到运动控制的随动效果，同时从芯片将随动信号进行转发，发送给下一个从芯片再进行同步化处理，完成脉冲输出。

为了使本领域技术人员能进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。

芯片主控模块提供一组寄存器，用于配置芯片主从模式、随动模式以及随动信号缩放倍数。

主要寄存器如表1所示：

表1

如图2所示，本芯片通常会与一个上位机和多块芯片搭配使用，一般将与上位机或其他主控通信的芯片的配置成主模式，其余块芯片设为从模式。上位机主要用于用户配置参数的输入，如运动控制指令，芯片配置参数，各种插补运动曲线参数等，这些运动控制参数与芯片配置参数通常采用串口下发至芯片的主控模块中。为了降低对芯片主控模块数据处理能力的要求，需要在上位机或其他主控中对上述指令和参数进行计算，并转换成对应的运动控制数据。芯片的主控模块通过AHB总线收到运动数据后，将数据储存至模块内，同时可经AHB总线与SPI模块，将配置数据进行转发至另一块芯片的主控模块。在各芯片通过配置参数确立主从模式后，会将收到的其他配置参数通过AHB总线模块发送至运动控制模块。

首先将各芯片的ET_CR寄存器Bit0配置为1，Bit31：1写入从芯片的数量，将与上位机连接的芯片ET_Mode寄存器Bit0配置为1，如果想对随动信号进行缩放，可配置各芯片的ET_Mul寄存器，初始配置参数完成后上位机可对主芯片下发运动指令，主芯片运动控制模块会根据用户配置的运动指令向外部输出脉冲。同时，主芯片的随动信号控制模块会将运动控制模块的脉冲信号当作随动信号，经AHB总线与GPIO控制模块传输给从芯片的随动信号控制模块。当随动信号控制模块收到信号时，首先，会判断当前运动是否为随动模式。如果此时随动模式没开启，随动信号控制模块将不会工作。若此时为随动模式，那么模块会将接收到的信号先进行转发传给下一块从芯片，再对信号进行异步信号同步化处理，通过有效电平计数的方式，对信号进行电平滤波，并基于工作时钟对信号的上升沿间隔进行计数。如图3所示，每采集两个上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期，就得到了运动控制的速度周期ΔT。ΔT乘以ET_Mul寄存器的值就得到最终数据，从芯片最后将经过处理的ΔT通过AHB总线更新至运动控制模块中的速度周期寄存器中。基于50M时钟周期芯片收到随动信号，到运动控制模块更新数据只需要微秒级的时间，就能实现主从芯片运动速度周期一致或者按比例缩放，达到芯片随动的效果。

本发明能够实现运动控制芯片之间的随动功能，包括直线插补随动、圆弧插补、螺旋插补等等应用都能用到，相比芯片内轴与轴的随动，芯片之间的随动能满足更多的应用需求。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，该运动控制芯片包括主控模块、运动控制模块和随动信号控制模块；

所述主控模块用于接收上位机或其他主控下发的数据，并对运动控制模块进行数据传输，以及与其他运动控制芯片的主控模块进行数据交互，配置芯片初始参数；

所述运动控制模块用于收到主控模块的配置参数和运动指令后执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向随动信号控制模块和运动控制输出端发出脉冲信号；

所述随动信号控制模块用于接收脉冲信号作为随动信号或将随动信号向外部输出，包括主模式和从模式两种工作模式；

主模式下，运动控制芯片为主芯片，随动信号控制模块无需接收随动信号，运动控制模块开始执行运动指令时，随动信号控制模块访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号向其他运动控制芯片的随动信号控制模块输出；

从模式下，运动控制芯片为从芯片，随动信号控制模块既能对外发送随动信号，也能接收随动信号；当随动信号控制模块收到随动信号时，随动信号控制模块将接收的随动信号进行转发传给下一个从芯片再进行同步化处理，通过有效电平计数的方式，对随动信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对随动信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个随动信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，得到从芯片插补运动的速度周期，将从芯片插补运动的速度周期更新至从芯片的运动控制模块中，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，实现运动控制的随动效果。

2.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，所述运动控制模块，含有数值微分法DDA运动控制算法，实现独立4轴驱动、插补驱动、速度控制和多轴单轴控制。

3.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，随动信号控制模块将收到的脉冲信号转换为对应的运动参数，同时根据用户配置将脉冲信号向其他运动控制芯片的随动信号控制模块输出，用于处理随动信号接收与发送。

4.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，所述主控模块能够使用具有驱动能力的外部芯片替代，包括CK804、ARM Cortex-M4、麒麟A1。

5.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，上位机或其他主控根据用户需求对运动控制芯片进行运动参数配置。

6.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，运动控制芯片还包括AHB总线模块，具有多个AHB通信接口，部署在主控模块、运动控制模块和随动信号控制模块中，将各模块的数据进行交互。

7.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，运动控制芯片还包括SPI模块，通过SPI模块实现将运动控制芯片的主控模块数据与另一块运动控制芯片的主控模块进行交互。

8.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，运动控制芯片还包括UART模块，通过UART模块实现上位机或其他主控与运动控制芯片的数据交互。

9.根据权利要求1所述的一种支持随动功能的运动控制芯片，其特征在于，运动控制芯片还包括GPIO控制模块，与随动信号控制模块连接，用户能够自定义输入输出脚，用于将运动控制芯片内部的随动信号输出至芯片外部或者把外部的随动信号引入运动控制芯片。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的一种支持随动功能的运动控制芯片的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）用户通过上位机或其他主控与各运动控制芯片的主控模块进行数据交互，根据寄存器表配置各运动控制芯片的初始参数，并对运动控制模块进行数据传输；

（2）运动控制芯片的运动控制模块根据用户的配置信息，执行相应的运动控制，通过外部脉冲端口向随动信号控制模块和运动控制输出端发出脉冲信号；随动信号控制模块接收脉冲信号作为随动信号，并判断是开启主模式或者从模式；

（3）主芯片在开启运动时，随动信号控制模块访问运动控制模块的速度周期寄存器，获取当前脉冲信号的周期数据，将数据通过时钟计数的方式，转化为脉冲信号，并作为随动信号向从芯片的随动信号控制模块输出；

（4）从芯片接收主芯片发送的随动信号，通过有效电平计数的方式，对随动信号进行电平滤波，处理过后基于工作时钟对随动信号的上升沿间隔进行计数，每采集两个随动信号上升沿就能获得一个数据，将此数据乘以芯片工作时钟周期与用户配置的随动信号缩放倍数，得到从芯片插补运动的速度周期；

（5）从芯片将从芯片插补运动的速度周期更新至本芯片内的运动控制模块，转换成运动数据，从芯片对外输出脉冲的频率同步于主芯片，达到运动控制的随动效果，同时从芯片将随动信号进行转发，发送给下一个从芯片再进行同步化处理，完成脉冲输出。

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