TWI451331B - A motion control core with multiplexing processors - Google Patents

Description

具運動控制核心的多工處理器

本發明係關於一種多工處理器，特別是指一種具運動控制核心的多工處理器。

近年來由於新興市場快速地蓬勃發展，全世界對於工具機的需求亦連年大幅成長，對工具機來說快速精確地定位及作動，係影響工具機表現的關鍵因素，因此精準掌握工具機的運動控制，便係運動控制領域的最重要課題。

精密運動控制的應用領域相當廣泛，舉凡半導體設備、CNC工具機、產業機械等，皆脫離不了它的範疇。一般來說，工具機的運動控制大致採取三種方式，一種是採用一般常見的可程式邏輯控制器架構(PLC-based)進行控制，一種是採用x86電腦架構(Computer-based)做控制，另一種則係採用單晶片(CPU-based)來做運動控制。

然，目前業界在以x86電腦架構為基礎的運動控制中，皆係透過外接運動控制卡的方式來做控制，運動控制卡透過主機板上的匯流排與主機板連接，匯流排一般來說即為PCI介面或ISA介面，習知技術便是透過運動控制卡上的運動控制晶片來對工具機的運動進行控制。首先，控制及運動資料經中央處理器處理過後，再透過匯流排將運動資料傳送至運動控制卡上的運動控制晶片，經運動控制晶片處理後，輸出運動訊號以對工具機進行運動控制。

要注意的是，習知以x86電腦架構為基礎的運動控制係透過匯流排ISA介面或PCI介面與運動控制卡相接，由於運動控制卡價格昂貴，導致整體生產成本墊高；且因採用外加運動控制卡的方式使得運動控制主機體積過大，同時當工具機遇到較大的震動，往往會造成誤訊號之傳遞。

有鑑於此，在考量成本、體積以及穩定度下，一種能降低生產成本、縮小主機體積並主機穩定度之運動控制方式，乃為業界極需發展研究之目標。

本發明之目的即在於提供一種具運動控制核心的多工處理器，為提供支援多核心的多軸運動控制，進而提供標準核心的處理器一邊運算，另一運動控制核心的處理器同步來達成馬達驅動器的直線/圓弧等多軸補間運動控制動作。

本發明之次一目的係在於提供一種具運動控制核心的多工處理器，為提供同時執行不同的指令以加速完成多件工作與多軸運動控制加工動作的處理器。

本發明之另一目的係在於提供一種運動控制核心，能同時執行不同的指令加速完成多件工作的多工處理器。

本發明之再一目的係在於提供一塊多工處理器內實現對稱多處理(Symmetrical Multi-Processing,SMP)架構，其能在進行運動控制進程的同時，又能並行執行不同的進程。

可達成上述發明目的應用於機械控制領域之具運動控制核心的多工處理器，係用於機械控制領域，包括具有多個晶粒以及具有與每一晶粒連接之連接元件的封裝基板，其中：該單顆晶粒中直接嵌入運動控制單元，該運動控制單元受使用者指定的程序，提供路徑規劃以執行並控制運動參數，進而驅動裝置的動作；上述機械控制領域包括各種工具機、研磨機、橡塑膠機、機器人、機械手臂、沖床、彈簧機、彎管機、攻牙機、產業機械、生產自動化控制、半導體設備、LCD設備、LED設備、PCB設備、節能設備、太陽能設備等領域，以及其它習知之工業控制領域。

請參閱圖一，本發明所提供之具運動控制核心的多工處理器1，主要包括具有多個晶粒11以及具有與每一晶粒11連接之連接元件5的封裝基板2，其中：該單顆晶粒11中直接嵌入運動控制單元4，該運動控制單元4受程序執行以控制運動參數，並驅動裝置的動作。在實施例中處理器1係一雙晶粒核心處理器、或一多晶粒核心處理器、或一單一晶粒上包含兩個以上處理器。本發明為封裝基板2包含中央處理單元3以及運動控制單元4的晶粒11。中央處理單元3係資料運算的晶粒11核心，負責解析相關運動及控制資料，用以處理各類運算指令；運動控制單元4則依據前述中央處理單元3所解析之資料，進行運動路徑規劃及運動參數控制。在圖一中，中央處理單元3接收輸入進來的指令，指令包含了基本控制命令及運動控制命令，基本控制命令係指使用者所下達的命令，運動控制命令則係指工具機的定位軸向、移動速度以及轉向角度等運動參數。

在圖一的多工處理器1中，包括一封裝基板2、二晶粒11以及二晶粒11之間的連接元件5。該封裝基板2可提供晶粒11設置，或晶粒11之間的連接元件5裝設於其上、或進而包含於封裝基板2內之被動元件、以及/或電晶體、其他積體電路間之連接。在實施例中，額外的運動控制核心(運動控制功能電路)可包含在同一晶粒11中、或可被包含在同一封裝上分離的晶粒11中，晶粒11可使用打線接合技術或捲帶晶粒11自動接合技術(TAB)來將晶粒11連接至封裝基板2上。

本發明為將單顆晶粒11中直接嵌入運動控制單元4，該運動控制單元4受程序執行以控制運動參數，並驅動裝置的動作。精密運動控制的應用領域相當廣泛，舉凡半導體設備、CNC工具機、產業機械等皆脫離不了運動控制單元4的範疇。本發明為應用在PC-Based之運動控制系統，更是具有低成本、模組化設計、增加系統彈性、降低維修困難度等優點。

本發明的多工處理器1為實現對稱多處理架構，其能在嵌入運動控制單元4的晶粒11進行運動控制進程的同時，又能於另一顆晶粒11並行執行不同的進程。中央處理單元3負責處理基本即時控制命令，運動控制命令則由運動控制單元4來專責處理，此種分工架構有效減少中央處理單元3的運算負擔，使得處理器1對於運動控制的運算更有效率。尤其因運動控制單元4的存在，有效地因應了工具機的高速運動命令及回授補償之計算，即時完成運動控制需求。使得本發明之處理器1能更快速且彈性地變更的使用者需求，直接動態調整運動。

請參閱圖二，本發明在嵌入運動控制單元4的晶粒11內更嵌入一邏輯控制單元6，該運動控制單元4執行程序中的運動參數，而該邏輯控制單元6則執行程序中的邏輯控制參數，使嵌入運動控制單元4的晶粒同時執行多工處理，以便能兼顧運動控制與時序控制來驅動裝置的動作。該運動控制單元4能連結邏輯控制單元6來執行邏輯控制時序，以設定該邏輯控制單元6之輸出/輸入時序，配合執行運動控制參數以控制裝置的動作，且該裝置為一驅動器，該邏輯控制單元6亦解析程序中的邏輯控制參數，以執行程序中的邏輯控制參數，以作為驅動器時序控制的命令輸入。

圖三為多工處理器1上之視訊圖形陣列7處理視訊影像的運算之應用，該封裝基板2的晶粒11包含中央處理單元3以及運動控制單元4，其中封裝基板2上的晶粒11更包含視訊圖形陣列7。視訊圖形陣列7係專門用以處理視訊影像的運算，當輸入的指令中內含視訊圖形資料的運算，皆由視訊圖形陣列7負責運算處理，可有效減少中央處理單元3的運算負擔，使得運動控制晶片的整體運作更有效率。而圖四為圖三的多工處理器其嵌入運動控制單元4之晶粒11再嵌入邏輯控制單元6之示意圖，其邏輯控制單元6其工作原理亦與上述說明相同。

圖五為多工處理器1上之網路單元8處理網路通訊的運算之應用，該網路單元8係由一Ethernet、或一RS232、一RS422、一RS485、或一CAN匯流排所構成，係專門用以處理網路通訊的運算，當輸入的指令包含網路通訊資料時，其運算就由網路單元8來專門處理，利用網路單元8來做即時資料互通。圖六為圖五的多工處理器其具有運動控制單元4之晶粒11內再嵌入邏輯控制單元6之示意圖，其邏輯控制單元6其工作原理亦與上述說明相同。

圖七為多工處理器上1之視訊圖形陣列7與網路單元8處理視訊影像與網路通訊的運算，其顯示封裝基板2的晶粒11包含中央處理單元3以及運動控制單元4，其中封裝基板2上的晶粒11更包含視訊圖形陣列7與網路單元8，而視訊圖形陣列7與網路單元8的功能如上所述，為一多處理架構，其能在進行運動控制進程的同時，又能並行執行視訊圖形資料的運算與處理網路通訊的運算的進程，以達多處理架構功效之處理器1。圖八為圖七的多工處理器其具有運動控制單元4的晶粒再嵌入邏輯控制單元6之示意圖，其邏輯控制單元6其工作原理亦與上述說明相同。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．處理器

11．．．晶粒

2．．．封裝基板

3．．．中央處理單元

4．．．運動控制單元

5．．．連接元件

6．．．邏輯單元

7．．．視訊圖形陣列

8．．．網路單元

圖一為本發明具運動控制核心的多工處理器之示意圖；

圖二為圖一的多工處理器其具運動控制單元晶粒再嵌入邏輯控制單元之示意圖；

圖三為多工處理器上之視訊圖形陣列處理視訊影像的運算之一應用封裝基板示意圖；

圖四為圖三的多工處理器其具運動控制單元晶粒再嵌入邏輯控制單元之示意圖；

圖五為多工處理器上之網路單元處理網路通訊的運算之一應用封裝基板示意圖；

圖六為圖五多工處理器其具運動控制單元晶粒再嵌入邏輯控制單元之示意圖；

圖七為多工處理器上之視訊圖形陣列與網路單元處理視訊影像與網路通訊的運算之一應用封裝基板示意圖；以及

圖八為圖七多工處理器其具運動控制單元晶粒再嵌入邏輯控制單元之示意圖。

1．．．處理器

11．．．晶粒

2．．．封裝基板

3．．．中央處理單元

4．．．運動控制單元

5．．．連接元件

Claims (2)

1. 一種具運動控制核心的多工處理器，包括具有多個晶粒以及具有與每一晶粒連接之連接元件的封裝基板，其中：該單顆晶粒中直接嵌入運動控制單元，該運動控制單元受程序執行以控制運動參數，並驅動裝置的動作，該嵌入運動控制單元的單顆晶粒進而包括嵌入邏輯控制單元，該運動控制單元執行程序中的運動參數，該邏輯控制單元則執行程序中的邏輯控制參數，使該具有運動控制單元的單顆晶粒同時執行多工處理，以便能兼顧運動控制與時序控制來驅動裝置的動作。
2. 如申請專利範圍第1 項所述之具運動控制核心的多工處理器，其中該單顆晶粒中直接嵌入運動控制單元，該運動控制單元受程序執行以控制運動參數，並驅動裝置的動作，該裝置為一驅動器，該邏輯控制單元亦解析程序中的邏輯控制參數，以執行程序中的邏輯控制參數，以作為驅動器時序控制的命令輸入。