CN201804248U - 运动控制卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种运动控制卡，包括通讯接口、U盘接口、FPGA可重构主控制器、存储器、输入输出控制信号端口，DA主轴控制模块、液晶显示器、按键、接口板，还包括ARM计算协处理器，所述ARM计算协处理器和存储器均通过总线与FPGA可重构主控制器相连，所述ARM计算协处理器协助FPGA对要进行的加工图形文件进行一些加工数据解析，并在ARM内部进行一些速度前瞻规划。本实用新型运动控制卡既具有软件那样可编程、可重构的性能，又有硬件那样高性能、高可靠、高一致性的特点，并且易用、开放、灵活、成本较低。

Description

运动控制卡

技术领域

本实用新型涉及一种运动控制卡。

背景技术

目前大部分控制系统都是基于DSP或DSP+FPGA(这里的FPGA仅仅用来处理接口或加密的辅助功能，不做运动控制处理，真正的运动控制处理是以DSP为核心)的运动控制系统方案(见图4)，但是首先，DSP依旧是软处理技术，无法达到专用集成电路那样高性能、高可靠、高一致性，同时DSP本来是主控器件，利用它开发成一个运动控制功能块，使得其作为一个从属应用器件，应用起来不方便，与外界的主控器件接口如何实施比较繁琐；其次，把DSP既作为运动控制功能实现部分，又作为控制系统中的主控器件，就会造成系统中，运动控制专用处理、一般的管理控制、人机界面设计混乱在一起；再次，DSP作为一般的系统管理处理单元，其开放性、通用性较差；最后DSP作为通用的信号处理芯片，利用它来处理专用的运动控制，除了内嵌DSP块外，没多元的、定向的、并行硬件加速模块来专门去处理算法或系统其他功能逻辑，只能以高主频高规格DSP产品去实现，这样造成事倍功半的结果，成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种既具有硬件那样高性能、高可靠、高一致性又具有软件那样可编程、可重构、可移植性强的优点并且易用、开放、灵活、成本较低的运动控制卡。

本实用新型提供的这种运动控制卡，包括通讯接口、U盘接口、FPGA可重构主控制器、存储器、输入输出控制信号端口，DA主轴控制模块、液晶显示器、按键、接口板，还包括ARM计算协处理器，所述ARM计算协处理器和存储器均通过总线与FPGA可重构主控制器相连，所述ARM计算协处理器协助FPGA对要进行的加工图形文件进行一些加工数据解析，并在ARM内部进行一些速度前瞻规划。

所述存储器采用板载大容量SD存储器，用来存储加工图形文件和数据。所述运动控制卡与上位机以太网为媒介进行通信。

本实用新型运动控制卡，将运动控制方案中的处理部分交给了FPGA，结合通用的RISC CPU即ARM为系统管理所应用，由于FPGA的先天特点，柔性很大，有利于快速应对市场需求的变化带来的对控制的性能、资源分配的变化，通过对FPGA内部逻辑的改变可以改变主控CPU、逻辑的构成，甚至构建完全不同的新的控制结构，而32bit ARM作为目前非常流行的RISC CPU，数据处理能力强，通用性强，性价比高，工作稳定，由此可见本实用新型运动控制卡，既具有软件那样可编程、可重构的性能，又有硬件那样高性能、高可靠、高一致性的特点，并且易用、开放、灵活成本较低。

附图说明

图1是本实用新型模块图；

图2是本实用新型用于低成本开环步进电机方案模块图；

图3是本实用新型用于高性能闭环伺服电机方案模块图；

图4是现有技术模块图。

具体实施方式

从图1可知，本实用新型提供的这种运动控制卡，包括通讯接口，U盘接口，FPGA可重构主控制器，输入输出控制信号端口，DA主轴控制模块，液晶显示器，按键，板载大容量SD存储器，ARM计算协处理器，都通过总线与FPGA可重构主控制器连接，接口板与输入输出控制信号端口及DA主轴控制器相连。

其中FPGA可重构主控制器可应对不同控制性能、资源分配要求而进行内部逻辑的改变以构建完全不同的新的控制结构，根据具体的情况，ARM计算协处理器是可选的，在控制要求不高，处理数据不太复杂的情况下(如低成本开环步进电机方案)，所有的运动控制均有FPGA可重构主控制器来完成，不需要ARM计算协处理器，而在控制要求较高，处理数据比较复杂的情况下(如高性能闭环伺服电机方案)，为减轻FPGA可重构主控制器的负担，由ARM计算协处理器来协助处理数据。

下面就这两种情况各举例说明一下：

参见图2，这是本实用新型用于低成本开环步进电机的实例：

由于开环计算简单，所以计算协处理器AMR可以不需要焊上，从而降低了硬件成本，配步进电机专用的低成本接口板(只需要少量光藕做输入输出)即可，FPGA可重构主控制器内构架定义为采用ALTERA公司的NIOS II方案，使用ALTERA公司提供的SOPC Builder工具在FPGA内嵌入一个32位CPU，该CPU性能相当于ARM7，50M的主频完全能够满足开环控制的计算要求，CPU内部外设根据需要定制，那么此时硬件系统被重构为图2所示的结构，该方案只有一个CPU，文件解析、人机交互，轨迹规划，加减速控制均由它完成，其中多轴脉冲发生器以一个NIOS II自定义外设的形式挂接在CPU核心的Avalon总线。

参见图3，是本实用新型用于高性能闭环伺服电机的实施方式：

由于闭环计算的需要，ARM计算协处理器焊上，配伺服电机接口板，接口板上包含多轴编码器输入、多轴DA控制信号输出，伺服使能、伺服报警、伺服到位等等伺服专用信号，以及设备各轴正负限位、主轴开关、主轴转速控制电路，FPGA内构架和步进方案一样采用ALTERA公司的NIOS II，不一样的是，这个主CPU主要负责任务调度等事务，复杂的轨迹规划、前瞻速度控制、样条拟合等计算都交由ARM完成，ARM与CPU通过一组总线交换数据和状态信息，然后由于是闭环控制，同时又引入了PID伺服计算，此时需要解决一个矛盾，那就是主CPU由于考虑良好的用户响应和相对复杂的加工工艺，使用嵌入式操作系统后，对伺服算法的精确实时响应能力变差，此时我们利用本系统可重构的特点，另外在FPGA片内再定制了一个小规模的CPU，专门用来负责伺服控制，实践证明此方案大大缓解了主CPU的负担，那么此时硬件系统被重构为如图3的结构，该方案有一个主CPU，负责文件解析、人机交互，软PLC，而轨迹规划，加减速控制，样条拟合由它把计算任务分派到ARM完成。

其中U盘接口SL811HS是Cypress公司推出的一款嵌入式USB Host/Slave芯片，该芯片支持USB1.1的全速和低速设备，提供USB主机的硬件接口及总线管理的物理机制，带有在片的SIE和USB发送器以及在片的根集线器Hub，因此，满足了嵌入式USB主机系统所需要的功能，即由主机接口芯片来完成总线底层物理数据包的发送、接收，并能检测总线状态，发出中断请求，U盘接口SL811HS通过FPGA引脚定义到内部主CPU的总线上，在主CPU的协调下进行U盘的读写。

其中液晶显示器采用市面上常见的LCM模块，像素128×64，通过和总线以及几个IO和FPGA相连，再通过引脚定义与主CPU交换数据。

其中按键使用4×4的矩阵扫描按键，通过和总线以及几个IO和FPGA相连，再通过引脚定义与主CPU交换数据。

其中通讯接口中串口通讯的硬件使用常见的RS232标准，接口芯片使用SP3232，该芯片将3.3V电平转换到RS232标准，同时该芯片提供了完善的保护，在恶劣环境下工作可靠，通讯接口中CAN总线的特点决定了它非常适合用在恶劣环境下用作模块间的互联，首先CAN总线采用了循环冗余码校验(Cyclicredundancy check)框架检测(Frame check)、确认信号出错检测(ACK errors)总线监控(Bus monitoring)位填充(Bit stuffing)等5种错误监测和纠错措施从而达到了很高的可靠性平均误码率小于10-13[2]其次CAN总线采用了独特的位仲裁技术具有比CSMA/CD网(IEE802.3)和令牌网(IEE802.4)更高的实时性除此之外CAN总线的通信速率可达1MBps远距离传输可达10km同时接口简单安装方便通信控制简单。

其中板载大容量存储器板载大容量存储，采用SD卡做为存储，这个最大板载存储器可达到16G。

其中DA主轴控制器输出一路模拟信号用来控制机床主轴电机的转动频率。

其中输入输出控制信号端口，可以输出电机、车床的控制脉冲信号和I/O端口的控制信号，也可以由外部输入反馈信号。

本实用新型工作方式如下：

首先根据具体的控制要求，对FPGA内部逻辑进行改变，从而改变主控CPU逻辑的构成，甚至构建完全不同的新的控制结构以适用具体控制要求，再根据具体控制要求的复杂程度决定是否使用ARM计算协处理器，当要处理的图形文件、数据比较简单时可以不使用ARM计算协处理器，当要处理的图形文件、数据比较复杂时可以使用ARM计算协处理器来减轻FPGA数据解析的负担。我们可以使用上位机通过通讯接口也就是我们板子上的RJ45口来把外部加工图形文件、数据传输给板载大容量存储器，也可以通过将U盘直接插到控制卡系统中的U盘接口直接将数据传输给板载大容量存储器，板载大容量存储器获得外部加工图形文件、数据后通过数据、地址总线与FPGA、ARM计算协处理器内进行一些加工数据解析，并在并在ARM内部进行一些速度前瞻规划，将图形文件、数据解析后所得数据一部分通过输入输出信号端口输出控制脉冲信号，控制机床步进电机或伺服电机运动，同时输入输出控制信号中还有I/O的一些控制，当外部有报警信号、停止信号等需要输入到我们控制部分协助处理的时候，将通过我们输入输出控制信号端口的输入部分来输入，如当内部文件加工完成，需要输出一个加工完成信号灯，这个就由我们输入输出控制信号的输出部分来控制一些继电器的闭合，解析后的另一部分数据输出给DA主轴控制器，DA主轴控制器通过一路模拟量输出控制机床主轴电机的转动频率。输入输出端口和DA主轴控制器通过接口板与电机、车床相连，从而实现对电机、车床运动的控制。在整个运动控制过程中，可以通过按键对机床的一些参数比如加工速度等进行设置，液晶显示器则时刻显示当前运动控制卡系统的一些状态如当前机床加工坐标等。

Claims (3)

1.一种运动控制卡，包括通讯接口、U盘接口、FPGA可重构主控制器、存储器、输入输出控制信号端口，DA主轴控制模块、液晶显示器、按键、接口板，其特征在于还包括ARM计算协处理器，所述ARM计算协处理器和存储器均通过总线与FPGA可重构主控制器相连。

2.根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于所述存储器采用板载大容量SD存储器。

3.根据权利要求1或2所述的运动控制卡，其特征在于所述运动控制卡与上位机以太网为媒介进行通信。 

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