CN202230378U - 终端可任意扩展的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

一种终端可任意扩展的运动控制系统，包括作为运动控制网络主站的PC机、交换机、运动控制网络从站、信号处理电路和电机，各电机与对应的信号处理电路相连，信号处理电路与对应的运动控制网络从站相连，各运动控制网络从站通过以太网和交换机与作为主站的PC机相连，所述的运动控制网络从站由RJ45标准以太网线缆接口、通用以太网芯片和基于FPGA的运动控制芯片组成，RJ45标准以太网线缆接口作为运动控制网络从站与主站之间的输入输出接口通过通用以太网芯片与以太网相连，基于FPGA的运动控制芯片与信号处理电路相连。本实用新型简化了硬件电路，降低了硬件成本，提高了芯片的集成化程度。

Description

终端可任意扩展的运动控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种运动控制技术，尤其是一种通过带有身份识别的通讯方法实现多轴运动控制的系统，具体地说是一种终端可任意扩展的运动控制系统。

背景技术

传统的开放式运动控制系统大多是基于PC机的，即将运动控制板卡插入PC的PCI槽，由PC机实现上位机功能，用户通过PC机上的运动控制界面将期望的运动参数通过PCI总线发送至运动控制板卡，同时运动控制板卡将轴的实际运动参数信息通过PCI总线反馈给上位机，用户可通过运动控制界面实时监控实际运动参数。上述这种运动控制系统的实现，需要开发相应的驱动程序，才能实现数据的交互、命令的传递，一旦上位机硬件或者操作系统发生改变，驱动程序也要进行修改，并且PC机的总线扩展带宽和PC机本身插槽也有所限制，因此，在多轴的运动控制系统中应用受限，可扩展性差，同时此方法具有布线繁琐、系统升级维护困难，硬件成本昂贵等缺点。

因此，针对运动控制系统中的上述问题，必须从通讯方法和运动控制板卡上采取措施来提高系统的可扩展性，降低系统成本。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的运动控制终端数量有限，布线繁琐、系统升级维护困难，硬件成本昂贵等问题，设计一种可扩展性强、成本低的终端可任意扩展的运动控制系统。

本实用新型的技术方案是：

一种终端可任意扩展的运动控制系统，它包括作为运动控制网络主站的PC机1-1、交换机1-2、运动控制网络从站1-3、信号处理电路1-7和电机1-8，各电机1-8与对应的信号处理电路1-7相连，信号处理电路1-7与对应的运动控制网络从站1-3相连，各运动控制网络从站1-3通过以太网和交换机1-2与作为主站的PC机1-1相连，其特征是所述的运动控制网络从站1-3由RJ45标准以太网线缆接口1-4、通用以太网芯片1-5和基于FPGA的运动控制芯片1-6组成， RJ45标准以太网线缆接口1-4作为运动控制网络从站1-3与主站之间的输入输出接口通过通用以太网芯片1-5与以太网相连，基于FPGA的运动控制芯片1-6与信号处理电路1-7相连。

所述的基于FPGA的运动控制芯片106主要由标准以太网网络芯片接口模块2-1、报文数据解析模块2-2、接口模块2-4和时钟管理模块2-2组成，接口模块2-4分别与信号处理电路1-7及报文数据解析模块2-2相连，报文数据解析模块2-2同时与标准以太网网络芯片接口模块2-1及时钟管理模块2-2相连，标准以太网网络芯片接口模块2-1与通用以太网芯片1-5相连；标准以太网网络芯片接口模块2-1由初始化模块、数据发送模块和数据接收模块组成。

（1）作为主机的PC机是带通用以太网网卡接口的计算机。在PC机中通过软件编辑运动控制界面，并且实现运动控制规划和插补运算。PC机使用标准以太网的TCP/IP协议将包含运动参数数据的数据帧打包发送至包含1588时钟同步协议的网络交换机。

（2）作为连接主机和从机的同步交换机，使用TCP/IP的以太网数据帧经过所述包含1588时钟同步协议的网络交换机后，发往各个从站。所述包含1588时钟同步协议的网络交换机不仅可以实现数据包的快速转发还可以同步各从站的标准时钟，以实现同步运动控制。

（3）作为终端的网络从站。网络从站主要采用以FPGA为核心，配上标准以太网网络芯片，完成网络通信及运动控制功能。所述网络从站在FPGA内部包含以下模块：标准以太网网络芯片接口模块、报文数据解析模块、接口模块（精插补、脉宽调制、编码器计数与鉴向、I/O）、时钟管理模块。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型提出的一种运动控制系统的可扩展性系统，通过一种带有身份识别的通讯方法，实现运动控制系统的任意扩展。

2.本实用新型提出的一种通用的基于标准以太网的运动控制网络构建系统，摆脱了需要专用网络芯片的技术束缚，提高了运动控制网络的通用性和可扩展性。

3.本发是明提出的在单片FPGA内集成对网络芯片的控制、数据协议解析、运动控制和编码器反馈等功能，从而简化了硬件电路，降低了硬件成本，提高了芯片的集成化程度。

附图说明

图1是本实用新型的可扩展的多轴运动控制系统总体框图。

图2是本实用新型的基于FPGA的网络从站运动控制芯片框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种终端可任意扩展的运动控制系统，它包括作为运动控制网络主站的PC机1-1、包含1588时钟同步协议的交换机1-2、运动控制网络从站1-3、RJ45标准以太网线缆接口1-4、通用以太网芯片1-5、基于FPGA的网络从站运动控制芯片1-6、信号处理电路1-7、电机1-8，各电机1-8与对应的信号处理电路1-7相连，信号处理电路1-7与对应的运动控制网络从站1-3相连，各运动控制网络从站1-3通过以太网和交换机1-2与作为主站的PC机1-1相连，所述的运动控制网络从站1-3由RJ45标准以太网线缆接口1-4、通用以太网芯片1-5和基于FPGA的运动控制芯片1-6组成， RJ45标准以太网线缆接口1-4作为运动控制网络从站1-3与主站之间的输入输出接口通过通用以太网芯片1-5与以太网相连，基于FPGA的运动控制芯片1-6与信号处理电路1-7相连。如图1所示，图中省略了RJ45标准以太网线缆接口1-4与通用以太网芯片1-5之间的网络变压器以及基于FPGA的网络从站运动控制芯片的硬件处理电路。其中信号处理电路包括I/O处理电路、编码器信号处理电路、脉宽调制信号处理电路和脉冲输出处理电路。

作为核心单元的网络从站主要在FPGA中实现，如图2所示。所述基于FPGA的运动控制芯片106由以下模块构成：标准以太网网络芯片接口模块2-1、报文数据解析模块2-2、接口模块2-4、时钟管理模块2-2。其各个模块具体描述如下：

1、所述标准以太网网络芯片接口模块2-1中的初始化模块完成对DM9000A的控制，实现利用以太网进行数据通讯，具体步骤： 

（1）由于复位后，DM9000A恢复默认的休眠状态以降低功耗，因此首先激活DM9000A的PHY，设置GPR（REG_1F）CEPI00 bit[0] = 0；

（2）接着进行两次软复位，步骤如下：设置NCR(REG_00) bit[2:0] = 011,至少保持20us,清除NCR(REG_00) bit[2:0] = 000；再次设置NCR(REG_00) bit[2:0] = 011,至少保持20us,再清除NCR(REG_00) bit[2:0] = 000；

（3）配置NCR寄存器，设置NCR(REG_00) bit[2:1] = 00；配置为正常模式。通过改变该寄存器可以选择内部或者外部PHY、全双工或者半双工模式、使能唤醒事件等网络操作；

（4）清除发送状态，设置NSR（REG_01） bit[5] = 1,[bit3] = 1,[bit2] = 1；

（5）通过IMR寄存器，设置PRM bit[1] = 1，使DM9000A在接收到一帧新数据时产生一个接收中断通知所述数据接收模块；

（6）设置RCR寄存器，使能数据接收功能。

2、报文数据发送模块：

数据发送模块同样采用状态机编程，步骤如下：DM9000A的发送缓冲区可同时存储两帧数据，标记为帧Ⅰ和帧Ⅱ。发送过程中首先FPGA通过写操作寄存器MWCMD向DM9000A的发送缓冲区写入需要发送的数据帧，接着将数据长度信息写入寄存器FCH和FDH。最后，FPGA将发送控制寄存器TCR置为高电平，DM9000A将自动完成以太网数据帧格式的要求发送数据。在帧Ⅰ发送的同时，帧Ⅱ的数据即可写入发送缓冲区。当帧Ⅰ发送完成之后，便可进行帧Ⅱ的发送，依次类推，在发送的过程中，帧Ⅰ与帧Ⅱ将轮替的进行发送。

3、报文数据接收模块：

与数据发送模块相对应的是数据接收模块，采用状态机编程，接收过程如下：当DM9000A接收到新数据，寄存器ISR的PRS位将被置“0”。如果FPGA查询到PRS位等于“0”，则首先恢复PRS = 1。其次判断数据首字节，若为01H则表明接收到了数据，若为00H则说明没有接收到数据。如果既不是01H也不是00H表明DM9000进入异常，需要对其进行软复位操作。当接收数据完成之后，FPGA重新回到查询标志位状态。接收到得数据将进入报文数据解析模块2-6。所述2-6接收到完整的以太网数据帧之后自动去除前导码（preamble）、SFD、目的地址、源地址、长度/类型码以及CRC校验值，然后对用户定义的数据段进行数据协议解析。

4、报文数据解析模块：

从站可根据ID号检验是否收到正确的数据包。当2-6确认收到正确数据之后，进入运动参数解析数据段，本数据包协议采用一个轴的插补位置参数占用两个字节的方法，这样每个从站的数据包最多可包含三个轴的插补位置参数。插补周期参数信息同样由六个字节构成，每个轴的参数占用两个字节，精插补器通过该参数可以设定其插补周期。若数据包中C/R = 1，即此数据包为从站发送的回应数据（response）时，命令代码（Command Code）将返回上一个数据包中的原值作为响应，同时插补位置参数信息将变为运动的实际位置值信息，同样采用一个轴的实际位置参数占用两个字节的方法，并且与命令帧数据包中的数据段位置相一致。插补周期参数信息段同样按发送的原值返回至主站。数据协议模块将运动参数发往精插补器实现驱动脉冲输出，同时将编码器反馈数据在下一个通讯周期返还至主站PC机。机床参数占用数据段4个字节长度。其中前2个字节（16bit）用于输出I/O量，具体定义由特定机床决定，后2个字节用于输入I/O量，表示机床的状态。机床参数数据段将由I/O接口模块与机床互连。最后12个字节由脉宽调制数据占用，脉宽调制据将发往脉宽调制输出模块。时钟管理模块由两部分组成，分别为PLL倍频和时钟分频器。PLL倍频将输入FPGA的30MHz时钟信号倍频至100MHz作为标准以太网网络芯片接口模块的基准时钟，以实现100Mbps速率下数据的快速收发。时钟分频器则将30MHz分频之后作为其他模块的基准时钟。

5、接口模块，实现与硬件电路相关的接口，包括脉宽调制模块、精插补模块、编码器计数与鉴向模块以及I/O接口模块。

在本实用新型中，主站工作步骤为：

（1）              以广播形式发送第一起始报文；

（2）          等待从站返回应答报文；

（3）              接收所有的从站报文；

（4）          根据返回从站报文的ID号，确定从站个数；

（5）              发送第二起始报文，通知从站在整个网络中的ID号和轴号的匹配；

（6）          两个起始报文发送完成后，表示通讯建立；

（7）              通讯建立后，以0.5ms的周期广播发送命令报文并接受应答报文；

（8）          重复步骤7，如果中间任何一次发送报文之后无应答报文，通讯中断，并报警。

在本实用新型中，从站工作步骤：

（1）          通过标准以太网网络芯片接口模块初始化网络芯片，等待接收主站的第一个起始报文；

（2）              所有从站都接收第一个起始报文，并返回自己的应答报文，主要返回ID号；

（3）          所有从站都接收第二个起始报文，表示通讯建立；

（4）          等待命令报文；

（5）          接收命令报文，并发应答报文；

（6）          解析报文数据，发往对应的接口模块；

（7）          根据电机执行情况，准备好应答报文；

（8）          重复（4）。

通过本实用新型，采用“一主多从”的星型架构，按照规定的通讯协议格式，可以实现在一个主站的情况下对多个从站进行控制，进而实现多轴运动控制，并且控制系统的布线简单，较传统的运动控制需要繁杂的信号线而言，网络型运动控制系统只需要两根普通网线即可完成数据收发。其次，任何带有普通以太网网卡的PC机均可以作为主机，结合从站即可快速构建运动控制网络。第三，在单片FPGA实现网络从站控制芯片的功能，有效节约了硬件成本，简化电路结构，实现芯片的高效使用。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种终端可任意扩展的运动控制系统，它包括作为运动控制网络主站的PC机（1-1）、交换机（1-2）、运动控制网络从站（1-3）、信号处理电路（1-7）和电机（1-8），各电机（1-8）与对应的信号处理电路（1-7）相连，信号处理电路（1-7）与对应的运动控制网络从站（1-3）相连，各运动控制网络从站（1-3）通过以太网和交换机（1-2）与作为主站的PC机（1-1）相连，其特征是所述的运动控制网络从站（1-3）由RJ45标准以太网线缆接口（1-4）、通用以太网芯片（1-5）和基于FPGA的运动控制芯片（1-6）组成， RJ45标准以太网线缆接口（1-4）作为运动控制网络从站（1-3）与主站之间的输入输出接口通过通用以太网芯片（1-5）与以太网相连，基于FPGA的运动控制芯片（1-6）与信号处理电路（1-7）相连。

2.根据权利要求1所述的终端可任意扩展的运动控制系统，其特征是所述的基于FPGA的运动控制芯片（106）主要由标准以太网网络芯片接口模块（2-1）、报文数据解析模块（2-2）、接口模块（2-4）和时钟管理模块（2-2）组成，接口模块（2-4）分别与信号处理电路（1-7）及报文数据解析模块（2-2）相连，报文数据解析模块（2-2）同时与标准以太网网络芯片接口模块（2-1）及时钟管理模块（2-2）相连，标准以太网网络芯片接口模块（2-1）与通用以太网芯片（1-5）相连；标准以太网网络芯片接口模块（2-1）由初始化模块、数据发送模块和数据接收模块组成。