CN202975717U - 基于龙芯2f处理器的数控机床控制器 - Google Patents

基于龙芯2f处理器的数控机床控制器 Download PDF

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张鹏
宋汉广
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Abstract

本实用新型涉及一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器。该控制器主要包括监控管理部分和核心控制部分。核心控制部分以龙芯2F处理器为核心，通过串口和CAN接口控制机床的各个功能模块；监控管理部分以A2F500处理器为核心，可通过GPIO实现核心控制部分的上电、断电和复位，通过内部集成的A/D模块实现对整个模块的电流、电压监控，通过外置的温度传感器监控整个模块的工作温度，当核心控制部分的工作电流、电压和温度发生异常时可通过网络反馈给监控室，同时采取一定的措施，如断电或复位等。本实用新型安全性高、可靠性高、维修性好、综合保障性好，可广泛应用于工业领域的高端数控机床中。

Description

基于龙芯2F处理器的数控机床控制器
技术领域
本实用新型涉及一种控制器，特别是一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器。
背景技术
随着数控机床的功能不断增强、应用领域不断扩大，对数控机床控制模块的性能、可靠性、维修性和综合保障性等方面的要求也越来越高。目前国内的数控机床控制控制器所用的核心处理器多以低功耗的ARM、POWERPC等处理器为主，还有部分性能较低的控制模块以单片机为主，操作系统基本上以国外产品为主，随着各国技术竞争强度的加剧，使我国部分涉及关键技术的数控机床在安全性、可靠性、维修性、综合保障性等方面存在先天的缺陷，国外相关产品的采购、资料获取、技术支持、维护保障等渠道逐渐减少，甚至有些渠道被直接采用禁运、资料不公开等方式封锁，在可靠性、维修性、综合保障性等方面无法保障。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种提高整个系统可靠性、维修性、综合保障性的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，包括相互连接的监控管理模块和核心控制模块，其中核心控制模块包括主控制器、南桥芯片、存储模块、PCI桥模块、显示控制模块、CAN控制器模块、串口控制器模块、人机接口模块；
所述南桥芯片、显示控制模块、PCI桥模块通过PCI总线与主控制器连接，存储模块、CAN控制器功能模块、串口控制器功能模块、人机接口模块均与南桥芯片相连接，对外提供串口、CAN接口、人机接口、显示接口；用于监控数控机床控制器工作温度、电平、电流的监控管理模块包括微控制器，该控制器通过网络与监控室通信，反馈监控数控机床控制器的工作状态信息，接受监控室对控制器的远程控制。
本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：1）基于龙芯2F处理器的数控机床控制器通过使用龙芯2F处理器和国产操作系统JARI-Works，在后续芯片采购、使用维护等方面相对国外产品存在优势，可靠性明显提高；2）本实用新型的控制器可提供远程监控管理功能；3）本实用新型的控制器采用CAN总线技术，可有效的应用在工业环境中；4）本实用新型基于龙芯2F处理器的数控机床控制器实现了核心组成部分国产化、核心技术自主可控，并具备监控管理功能，可远程监控其工作状态。
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的描述。
附图说明
图1为本实用新型的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器结构框图。
图2为本实用新型的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器内部原理框图。
图3为本实用新型的控制器所用操作系统JARI-Works组成示意图。
图4 是本实用新型的控制软件模块组成图。
具体实施方式
本实用新型的一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，包括相互连接的监控管理模块和核心控制模块，其中核心控制模块包括主控制器、南桥芯片、存储模块、PCI桥模块、显示控制模块、CAN控制器模块、串口控制器模块、人机接口模块；
所述南桥芯片、显示控制模块、PCI桥模块通过PCI总线与主控制器连接，存储模块、CAN控制器功能模块、串口控制器功能模块、人机接口模块均与南桥芯片相连接，对外提供串口、CAN接口、人机接口、显示接口；用于监控数控机床控制器工作温度、电平、电流的监控管理模块包括微控制器，该控制器通过网络与监控室通信，反馈监控数控机床控制器的工作状态信息，接受监控室对控制器的远程控制。
所述主控制器为龙芯2F处理器。所述南桥芯片为AMD的CS5536芯片。所述存储模块包括SD卡或固态盘、BIOS芯片和内存。所述PCI桥模块为PLX6254芯片。所述显示控制模块为SIS315E芯片。所述CAN控制器模块为与FPFA配合的通用CAN控制器。所述串口控制器模块包括南桥集成的串口控制器和电平转换芯片。所述人机接口模块包括SuperIO芯片和南桥集成的USB控制器。所述监控管理模块的微控制器芯片为A2F500处理器。
计算机采用JARI-Works操作系统，计算机的控制软件采用模块化结构，在嵌入式实时操作系统JARI-Works的管理下完成实时故障检测、端口异常检测、显示输出、工作状态显示。
嵌入式实时JARI-Works操作系统采用POSIX标准并保持与标准Linux接口的兼容，采用二级多策略调度算法，以适应嵌入式系统应用多样性和实时性的要求；在安全设计方面，采用安全微内核体系的集中式安全策略控制，在进程一级进行安全检查，阻断非法进程或有缺陷的进程破坏系统的安全性；采用软硬协同安全防护技术，利用龙芯CPU提供的防缓冲区溢出、非法操作异常中断信号，通过上下文分析，排除安全隐患，并根据安全策略表进行相应的处理。
基于龙芯2F处理器的数控机床控制器运行国产的嵌入式实时JARI-Works操作系统，工作分成3个状态：
（1）初始工作：当控制器加电或复位后，首先进行初始化工作，计算机主模块从Flash中运行BIOS， BIOS运行过程中，对中央处理器和其余所有硬件功能模块进行第一步初始化和状态检测，初始化和状态检测工作结束后，BIOS运行到最后一步，即从默认路径加载操作系统并运行；
（2）配置参数设置：BIOS进行最后一步工作时，可手动打断从默认路径自动加载操作系统的过程，然后在命令提示符下可配置网络IP、操作系统加载路径、操作系统加载延时等配置参数，对默认的操作系统加载路径等进行更改；
（3）正常工作状态：设备在JARI-Works操作系统启动完毕后，直接发起任务，运行应用程序，监控信息传递与交互通过网络来完成，显示信息通过显示处理器板来处理并输出，人机交互功能在JARI-Works操作系统的管理下通过鼠标、键盘、显示器等设备实现。
下面进行具体描述，结合图1，本实用新型的一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其主要包括监控管理部分和核心控制部分。核心控制部分以龙芯2F处理器为核心，通过串口和CAN接口控制机床的各个功能模块，并提供鼠标键盘和显示等人机接口；监控管理部分以A2F500处理器为核心，可通过GPIO实现核心控制部分的上电、断电和复位，通过内部集成的A/D模块实现对整个模块的电流、电压监控，通过外置的温度传感器监控整个模块的工作温度，当核心控制部分的工作电流、电压和温度发生异常时可通过网络反馈给监控室，同时采取一定的措施，如断电或复位等；基于龙芯2F处理器的数控机床控制控制器工作可分成3个状态：初始工作、配置参数设置、正常工作状态。
结合图2，一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，包括监控管理部分和核心控制部分，其中核心控制部分包括主控制器、南桥、存储模块、PCI桥模块、显示控制模块、CAN控制器模块、串口控制器模块、人机接口模块，所述南桥、显示控制模块、PCI桥模块通过PCI总线与主控制器连接，存储模块、CAN控制器功能模块、串口控制器功能模块、人机接口模块与南桥相连接，对外提供串口、CAN接口、人机接口（鼠标键盘等）、显示接口，运行嵌入式实时JARI-Works操作系统；监控管理部分主要包括微控制器和相关外部器件，主要监控数控机床控制控制器的工作温度、电平、电流等，并通过网络与监控室通信，反馈监控数控机床控制控制器的工作状态信息，接受监控室对控制器的远程控制。
如图2所示，本实用新型基于龙芯2F处理器的数控机床控制控制器采用龙芯2F处理器，工作频率为700MHz以上，它是中科院计算技术研究所发布的一款64位MIPSIII指令集的RISC处理器，在国内首次采用了90nm CMOS设计工艺，内部集成5100万个晶体管，其最高浮点运算速度为每秒40亿次双精度/单精度浮点运算。龙芯2F处理器集成了北桥功能，内部集成DDRII内存控制器、PCI总线控制器、GPIO控制器等逻辑单元；板上内存容量为1GB；实现32位、33MHz的PCI总线；板上提供1路VGA显示接口，提供IDE接口供静态存储用，可接固态盘或SD卡等；提供USB2.0接口、串行接口、PS/2鼠标键盘接口。板载监控管理功能模块，以A2F500处理器为核心，主频80MHz，集成AD功能模块、I2C控制器、百兆网络控制器等，配合外部的温度传感器完成对整个控制器的工作状态的监控。
如图3所示，本实用新型基于龙芯2F处理器的数控机床控制控制器的嵌入式实时操作系统JARI-Works，参考了Linux的lsm多策略支持安全控制框架，结合嵌入式系统的技术特点，采用安全微内核体系的集中式安全策略控制，软硬协同安全防护、时空域保护等技术，提高系统的安全性和处理效率。集中式安全策略控制在进程一级进行强制访问控制，确保用户所启动的所有进程均处于相应权限控制之下，防止恶意程序破坏数据和系统正常工作。软硬协同安全防护软件类似设备驱动程序，由龙芯2F的防缓冲区溢出、非法操作等预警信号驱动进行安全性检查，保存运行现场，并根据存储在CMOS中的安全策略信息决定是否停止运行或向操作系统报告。时空域保护通过分配最大运行时间和实时监控的手段阻止恶意或有缺陷的进程无限期地占有CPU资源。
如图4所示，本实用新型基于龙芯2F处理器的数控机床控制控制器的控制软件由PCI总线驱动模块、控制和信息处理模块、显示控制模块、CAN控制模块、南桥驱动模块、人机交互模块、串口控制模块、监控管理模块、网络接口模块等组成，在嵌入式实时操作系统管理下工作。控制软件的主要任务是通过CAN接口和串口对各个功能外设进行控制，通过主处理器进行系统控制和信息的发送、显示信息的处理和输出、监控信息的流控制。
本实用新型的控制器采用CAN总线技术，可有效的应用在工业环境中；本实用新型的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器实现了核心组成部分国产化、核心技术自主可控，并具备监控管理功能，可远程监控其工作状态。

Claims (10)

1.一种基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于，包括相互连接的监控管理模块和核心控制模块，其中核心控制模块包括主控制器、南桥芯片、存储模块、PCI桥模块、显示控制模块、CAN控制器模块、串口控制器模块、人机接口模块；
所述南桥芯片、显示控制模块、PCI桥模块通过PCI总线与主控制器连接，存储模块、CAN控制器功能模块、串口控制器功能模块、人机接口模块均与南桥芯片相连接，对外提供串口、CAN接口、人机接口、显示接口；用于监控数控机床控制器工作温度、电平、电流的监控管理模块包括微控制器，该控制器通过网络与监控室通信，反馈监控数控机床控制器的工作状态信息，接受监控室对控制器的远程控制。
2.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述主控制器为龙芯2F处理器。
3.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述南桥芯片为AMD的CS5536芯片。
4.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述存储模块包括SD卡或固态盘、BIOS芯片和内存。
5.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述PCI桥模块为PLX6254芯片。
6.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述显示控制模块为SIS315E芯片。
7.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述CAN控制器模块为与FPFA配合的通用CAN控制器。
8.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述串口控制器模块包括南桥集成的串口控制器和电平转换芯片。
9.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述人机接口模块包括SuperIO芯片和南桥集成的USB控制器。
10.根据权利要求1所述的基于龙芯2F处理器的数控机床控制器，其特征在于：所述监控管理模块的微控制器芯片为A2F500处理器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111858409A (zh) * 2020-07-13 2020-10-30 天津津航计算技术研究所 基于i2c总线的多处理器架构电源管控方法

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