CN201438269U - 一种运动控制主板、运动控制板和运动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于机电控制领域，提供了一种运动控制主板、运动控制板和运动控制器，所述运动控制主板包括主控处理器，所述运动控制主板还包括与所述主控处理器通过CPU总线连接的第一复杂可编程逻辑器件，以及与所述第一复杂可编程逻辑器件连接的第一PC104接口单元和PS/2接口单元，所述第一复杂可编程逻辑器件对PC104协议信号和PS/2协议信号进行解码、译码操作。从而可以大大减少主控处理器对基于PS/2的按键信号的处理时间，降低了运动控制主板中主控处理器的负荷，最大程度的提高运动控制器的灵活性、可靠性以及抗干扰性。

Description

一种运动控制主板、运动控制板和运动控制器

技术领域

本实用新型属于机电控制领域，尤其涉及一种运动控制主板、运动控制板和运动控制器。

背景技术

现有的运动控制器多种多样，没有形成一统一标准，既有基于PC_Bsased的运动控制器，也有基于单片机、DSP、ARM等的运动控制器。其中基于PC_Based的运动控制器由普通电脑主板/工控主板+PCI/ISA/PC104总线运动控制卡组成，由于采用电脑主板+标准总线插卡的方式实现，由总线运动控制卡来实现各种运动控制功能要求，所以基于PC_Based的运动控制器的开放性、软件配套性最为方便，在当前运动控制器中占据很大的市场份额，但由于Windows本身的特性使得基于PC_Based的运动控制器的实时性相对难于保证，同时成本也相对较高。基于单片机的运动控制器由于成本较低，使得其市场占有率也很高，但因其资源的局限性使得基于单片机的运动控制器的功能和性能相对都较低，仅能完成一些相对简易的运动控制操作。基于数字信号处理(DigitalSignal Prosessing，DSP)的运动控制器因DSP的优异的高速数字处理功能，使得其运动控制方案灵活而高效，但DSP本身在处理图形以及外围接口的资源局限使得其基于DSP的运动控制器一般配合其他系统如PC机或ARM系列主机来实现。基于ARM的控制系统则具有丰富的外围接口，但要实现运动控制多配合DSP或专用运动控制IC来实现，当前市场上的基于ARM的系统大多采用ARM+DSP+FPGA的方案来实现，且在ARM跟运动控制模块之间的通信方式没有任何标准，且都要求客户配套客户自行开发的相应模块。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种运动控制器，旨在解决现有的运动控制器的灵活性、可靠性及抗干扰性差的问题。

本实用新型是这样实现的，一种运动控制主板，包括主控处理器，所述运动控制主板还包括与所述主控处理器通过CPU总线连接的第一复杂可编程逻辑器件，以及与所述第一复杂可编程逻辑器件连接的第一PC104接口单元和PS/2接口单元，所述第一复杂可编程逻辑器件对PC104协议信号和PS/2协议信号进行解码、译码操作。

本实用新型的另一目的在于提供一种运动控制板，所述运动控制板包括专用运动控制芯片，以及分别与所述专用运动控制芯片连接的第二复杂可编程逻辑器件和第二PC104接口单元，所述第二复杂可编程逻辑器件和第二PC104接口单元连接，所述第二复杂可编程逻辑器件对面板I/O信号、远程I/O信号进行解码、译码操作，所述第二PC104接口单元与运动控制主板进行实时通讯。

本实用新型的另一目的在于提供一种运动控制器，所述运动控制器包括所述运动控制主板和所述运动控制板。

在本实用新型中，通过第一复杂可编程逻辑器件实现了PC104、PS/2等协议信号，从而可以大大减少主控处理器对基于PS/2的按键信号的处理时间，降低了运动控制主板中主控处理器的负荷。通过第二复杂可编程逻辑器件实现对面板信号和远程信号的解码、译码等操作，从而减少了专用运动控制芯片对面板信号和远程信号的解码、译码的处理时间，降低了专用运动控制芯片的负荷。同时运动控制主板和运动控制板通过PC104总线进行通讯，从而可以最大程度的发挥PC104总线标准的作用。采用ARM系列CPU+PC104接口+专用运动控制芯片的嵌入式方案，使得除各外围接口电路和配件板之外的电路实现了最大程度的简化，特别是CPU和运动控制芯片的分离使得运动控制器中的各个模块各司其职，专注于本身的功能，以最大程度的提高运动控制器的灵活性、可靠性以及抗干扰性。

附图说明

图1是本实用新型提供的运动控制主板的结构框图；

图2是本实用新型提供的第一复杂可编程逻辑器件的结构示意图；

图3是本实用新型提供的电平转换模块的结构示意图；

图4是本实用新型提供的PS/2接口单元的结构示意图；

图5是本实用新型提供的DA输出单元的结构示意图；

图6是本实用新型提供的USB接口单元的结构示意图；

图7是本实用新型提供的串口单元的结构示意图；

图8是本实用新型提供的JTAG单元的结构示意图；

图9是本实用新型提供的显示单元的结构示意图；

图10是本实用新型提供的运动控制板的结构框图；

图11是本实用新型提供的第二复杂可编程逻辑器件的结构示意图；

图12是本实用新型提供的轴接口单元的结构示意图；

图13是本实用新型提供的IO接口单元的结构示意图；

图14是本实用新型提供的面板接口单元的结构示意图；

图15是本实用新型提供的远程接口单元的结构示意图；

图16是本实用新型提供的运动控制器的结构框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了本实用新型实施例提供的运动控制主板的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。该运动控制主板包括主控处理器1、通过CPU总线与主控处理器1连接的第一复杂可编程逻辑器件2(ComplexProgrammable Logic Device，CPLD)以及与第一复杂可编程逻辑器件2连接的第一PC104接口单元3和PS/2接口单元4，该第一复杂可编程逻辑器件2通过硬件编程对PC104协议信号和PS/2协议信号进行解码、译码操作。其中主控处理器1是运动控制主板的核心。在本实用新型实施例中，采用ARM9系列的CPU作为主控处理器1，如S3C2410A芯片等。

请参阅图2，为本实用新型实施例提供的第一复杂可编程逻辑器件2的示意图，但不以该示意图为限。该第一复杂可编程逻辑器件2通过硬件编程实现了PC104、PS/2等协议信号，同时实现了网络控制信号等功能。具体实现为主控处理器1的数据信号(Data)、地址信号(Addr)和各种片选等IO控制信号(Ctrl)通过总线连接到第一复杂可编程逻辑器件2的I/O引脚，第一复杂可编程逻辑器件2采用16M的有源晶振提供基本的时钟信号，结合主控处理器1送来的各种Data、Addr、Ctrl等信号，进行译码、解码操作，以实现PC104所必须的各种控制信号。对于网络控制信号，第一复杂可编程逻辑器件2根据主控处理器1送来的地址信号和片选信号实现网络控制的读写(NNETIOR，NNETIOW)信号。对于PS/2信号，第一复杂可编程逻辑器件2在16M时钟的控制下通过对PS/2键盘的键盘数据(KEY_DAT)、键盘时钟(KEY_CLK)信号进行时序解码，获取每次按键生成的按键编码，并将按键编码存储到内存中，等待主控处理器1的读取操作，从而可以大大减少主控处理器1对基于PS/2的按键信号的处理时间，以使主控处理器1有充分的时间来进行那些必须的事务处理操作。在本实用新型实施例中，该第一复杂可编程逻辑器件2可以采用LC4256V实现。

请参阅图3，为本实用新型实施例提供的第一PC104接口单元3包括的电平转换模块的示意图，但不以该示意图为限。该PC104接口单元中的电平转换模块实现标准PC104的5V电平信号与主控处理器1的3.3V电平信号之间的转换。

请参阅图4，为本实用新型实施例提供PS/2接口单元4的结构示意图，但不以该图为限。第一复杂可编程逻辑器件2对PS/2接口单元4接收的PS/2格式的数据(DATA)、时钟(CLK)等信号进行解码后发送到主控处理器1，以最大限度的减轻主控处理器1的负担，同时在接口中增加了串口2通信信号，以实现运动控制主板跟按键板上相应的LED指示灯和AD输入的检测和控制。

该运动控制主板还包括存储单元5、DA/AD输出单元6、USB接口单元7、网络接口单元8、IIC接口单元9、串口单元10、JTAG单元11、TOUCH单元12、显示单元13中的一个或者多个。其中：

存储单元5包括SRAM存储单元51、FLASH存储单元52和断电存储单元53。上电时，由主控处理器1将FLASH存储单元52中的相应程序调入之SRAM存储单元51中开始运行。

显示单元13包括但不限于TFT显示模块(图未示出)、VGA显示模块(图未示出)和STN显示模块(图未示出)。

请参阅图5，为本实用新型实施例提供的DA输出单元的结构示意图，但不以该图为限。DA输出单元采用PWM输出模拟方式实现，减少了采用专用DA芯片价格较高的成本。具体实现为主控处理器1输出PWM信号(图5中的TOUT2)，经过R1拉高，R2限流后，驱动光耦U1发光，在光耦的输出端实现同步的PWM信号，该同步后的PWM信号经过两级RC整形后送入运算放大器U2的同相输入端，之后通过U2输出要求的DA信号。

请参阅图6，为本实用新型实施例提供的USB接口单元7的结构示意图，但不以该图为限。该USB接口单元6实现了USB主机和USB设备两种接口，实现了读取U盘和作为U盘使用的两种路径。

网络接口单元8采用DM9000A网络专用IC配合CPLD相应的网络译码电路，实现了10M带宽的网络操作接口，以实现系统的网络操作功能。

IIC接口单元9直接使用主控处理器1自带的IIC总线功能实现了对24C08的读写控制操作，以实现一些必要的板级数据存储功能。

请参阅图7，为本实用新型实施例提供的串口单元10的结构示意图，但不以该图为限。该串口单元10使用主控处理器1自带的串行接口通过MAX3232和MAX485电平转换接口实现了RS232，RS485通信接口。

请参阅图8，为本实用新型实施例提供的JTAG单元11的结构示意图，但不以该图为限。JTAG单元11实现了20pin的接口。

请参阅图9，为本实用新型实施例提供的显示单元13的结构示意图，但不以该图为限。考虑到多种应用场合的需求，该显示单元13实现了VGA，TFT，STN等多个接口便于接插不同的显示装置。

图10示出了本实用新型实施例提供的运动控制板的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。该运动控制板包括专用运动控制芯片101、分别与专用运动控制芯片101连接的第二复杂可编程逻辑器件102和第二PC104单元103，其中第二复杂可编程逻辑器件102和第二PC104接口单元103连接，该第二复杂可编程逻辑器件102对面板I/O信号、远程I/O信号进行解码、译码操作。在本实用新型实施例中，该专用运动控制芯片包括两片芯片，分别为IC1和IC2。该运动控制板通过第二PC104接口单元103与运动控制主板进行实时通讯，以实现运动控制主板对运动控制板的控制操作。

请参阅图11，为本实用新型实施例提供的第二复杂可编程逻辑器件102的结构示意图，但不以该图为限。通过对该第二复杂可编程逻辑器件102的编程实现限位信号的开关以及高速探针的处理方式，具体为IO1 Plug或IO2 Plug模块的限位或探针信号通过IO1_IO2_IN或Probe信号进入CPLD，CPLD通过对其信号进行相应处理之后再确定是否输入到运动控制IC当中。另外CPLD还同时实现了对外挂手轮信号以及面板IO信号和外部编码器反馈信号的处理操作同时包括对PC104信号的解码以生成运动控制IC要求的各种信号。在本实用新型实施例中，该第二复杂可编程逻辑器件102可以采用型号为LC4128V-75T144I的CPLD实现。

该运动控制板还包括轴接口单元104、IO接口单元105、面板接口单元106(Panel IO Plug)以及远程接口单元107(Remote IO Plug)，以实现运动控制灵活的接线和实际的马达控制、输入输出控制功能。其中轴接口单元104包括但不限于X Plug，Y Plug，Z Plug，A Plug。IO接口单元105包括但不限于IO1Plug，IO2 Plug。

请参阅图12，为本实用新型实施例提供的轴接口单元104的结构示意图，但不以该图为限。对于X Plug，Y Plug，Z Plug，A Plug等轴接口，多个轴接口方式完全一致，其中包括脉冲正负信号(PL+，PL-)，方向正负信号(DR+，DR-)，编码器A相正负信号(ECA+，ECA-)，ECB+，ECB-(编码器B相正负)，编码器Z相正负信号(ECZ+，ECZ-)，报警输入信号(ALARM)，清除输出信号(CLR)，+12V，GND等信号接口，以实现对步进/伺服驱动的相应控制操作。

请参阅图13，为本实用新型实施例提供的IO接口单元105的结构示意图，但不以该图为限。对于IO1 Plug，IO2 Plug，每个接口单元包括1个输入公共端(EXTINCOM1)，14个光耦隔离的数字输入，8个光耦隔离的数字输出，2个数字输出公共端，用于实现外接控制设备的各种传感器输入输出信号。

请参阅图14，为本实用新型实施例提供的面板接口单元106的结构示意图，但不以该图为限。该Panle IO Plug接口单元，包括两路数字输入信号，两路编码器反馈输入信号，3路提供按键板的AD输入信号和VCC，GND共9路信号，用于实现控制器对外的面板输入接口。

请参阅图15，为本实用新型实施例提供的远程接口单元107的结构示意图，但不以该图为限。该Remote IO Plug接口单元包括9路数字输入信号，两路编码器反馈信号和VCC，GND，用于系统接外挂手轮专用。

图16示出了本实用新型实施例提供的运动控制器的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。该运动控制器包括图1所示的运动控制主板和图10所示的运动控制板。其中运动控制板与一个或者多个步进/伺服驱动连接，以控制与步进/伺服驱动连接的马达。

该运动控制器还包括按键板、显示装置、IO板中的一个或者多个。其中按键板为兼容PS/2的按键板。显示装置可以是STN、TFT、VGA等格式的显示装置。其中IO板包括但不限于IO1板和IO2板。

以下以最常用的信号流向说明该运动控制器的工作原理如下：运动控制主板上的CPLD(LC4256V)实时检测按键状态，并实时循环存储按键值，主控处理器根据实际运行情况发出读写PC104总线上数据或PS/2按键数据命令，运动控制主板上的CPLD对该命令进行解码，并判断要操作的对象为按键读取命令还是PC104读写命令。当解码确定是按键读取命令时，CPLD传送当前读取的按键状态到主控处理器中；当解码确定是PC104读写命令时，运动控制主板上的PC104接口单元工作，信号通过PC104总线传送到运动控制板的PC104单元中，运动控制板的PC104单元传送数据到运动控制板的CPLD(LC4128V)中，CPLD根据实际命令地址确定是直接操作CPLD中相关数据还是专用运动控制芯片中的数据，如果是专用运动控制芯片中的数据，则CPLD形成相应的控制信号实现对专用运动控制芯片中数据的读写操作，如果CPLD判断是操作CPLD本身，则CPLD根据命令本身的地址判断是操作探针还是普通输入信号，根据判断结果读写CPLD实际引脚相应的状态，再通过PC104总线传回运动控制主板，直到最终传送到主控处理器中进行相应处理操作。

在本实用新型中，通过第一复杂可编程逻辑器件实现了PC104、PS/2等协议信号，从而可以大大减少主控处理器对基于PS/2的按键信号的处理时间，降低了运动控制主板中主控处理器的负荷。通过CPLD实现对面板信号和远程信号的解码、译码等操作，从而减少了专用运动控制芯片对面板信号和远程信号的解码、译码的处理时间，降低了专用运动控制芯片的负荷。同时运动控制主板和运动控制板通过PC104总线进行通讯，从而可以最大程度的发挥PC104总线标准的作用。采用ARM系列CPU+PC104接口+专用运动控制芯片的嵌入式方案，使得除各外围接口电路和配件板之外的电路实现了最大程度的简化，特别是CPU和运动控制芯片的分离使得运动控制器中的各个模块各司其职，专注于本身的功能，以最大程度的提高运动控制器的灵活性、可靠性以及抗干扰性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种运动控制主板，包括主控处理器，其特征在于，所述运动控制主板还包括与所述主控处理器通过CPU总线连接的第一复杂可编程逻辑器件，以及与所述第一复杂可编程逻辑器件连接的第一PC104接口单元和PS/2接口单元，所述第一复杂可编程逻辑器件对PC104协议信号和PS/2协议信号进行解码、译码操作。

2.如权利要求1所述的运动控制主板，其特征在于，所述主控处理器为ARM9系列的CPU。

3.如权利要求1所述的运动控制主板，其特征在于，所述第一复杂可编程逻辑器件采用16M的有源晶振提供基本的时钟信号，结合所述主控处理器送来的各种数据信号、地址信号、IO控制信号，进行译码、解码操作，以实现PC104所必须的各种控制信号。

4.如权利要求1所述的运动控制主板，其特征在于，所述第一复杂可编程逻辑器件在16M时钟的控制下通过对PS/2键盘的键盘数据信号、键盘时钟信号进行时序解码，获取每次按键生成的按键编码，并将按键编码存储到内存中，等待所述主控处理器的读取操作。

5.如权利要求1所述的运动控制主板，其特征在于，所述运动控制主板还包括与所述主控处理器通过CPU总线连接的存储单元、DA/AD输出单元、USB接口单元、网络接口单元、IIC接口单元、串口单元、JTAG单元、TOUCH单元、显示单元中的一个或者多个，所述存储单元包括SRAM存储单元、FLASH存储单元和断电存储单元。

6.一种运动控制板，其特征在于，所述运动控制板包括专用运动控制芯片，以及分别与所述专用运动控制芯片连接的第二复杂可编程逻辑器件和第二PC104接口单元，所述第二复杂可编程逻辑器件和第二PC104接口单元连接，所述第二复杂可编程逻辑器件对面板I/O信号、远程I/O信号进行解码、译码操作，所述第二PC104接口单元与运动控制主板进行实时通讯。

7.如权利要求6所述的运动控制板，其特征在于，所述运动控制板还包括轴接口单元、IO接口单元、面板接口单元以及远程接口单元。

8.一种运动控制器，其特征在于，所述运动控制器包括权利要求1至5任一权利要求所述的运动控制主板和权利要求6或7所述的运动控制板。

9.如权利要求8所述的运动控制器，其特征在于，所述运动控制器还包括按键板、显示装置、IO板中的一个或者多个，所述按键板为兼容PS/2的按键板。

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