專利名稱：一種運動控制片上系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運動控制領(lǐng)域，特別涉及數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一種運動控制片上系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
運動控制系統(tǒng)是以電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。目前，通用運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類:
(I)基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器基于PC總線的運動控制器是利用計算機硬件和操作系統(tǒng)，并結(jié)合用戶開發(fā)的運動控制應(yīng)用程序來實現(xiàn)的，具有高速的數(shù)據(jù)處理能力。它以PC作為信息處理平臺，充分利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的超強邏輯處理能力，使PC的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力結(jié)合起來，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點，并能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。從用戶使用的角 度來看，這些基于PC的運動控制器之間的差異主要是硬件接口(輸入/輸出信號的種類、性能)和軟件接口(運動控制函數(shù)庫的功能函數(shù))。(2)基于工控機的開放式運動控制器
基于工控機的開放式運動控制器，它提供給用戶很大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在工控機中，而硬件部分僅是工控機與伺服驅(qū)動和外部I/o之間的標準化通用接口。用戶可以在windows平臺和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開放的運動控制內(nèi)核，開發(fā)所需的控制功能，構(gòu)成各種類型的高性能運動控制系統(tǒng)，從而提供給用戶更多的選擇和靈活性?；诠た貦C的開放式運動控制的特點是開發(fā)、制造成本相對較低，能夠給予系統(tǒng)集成商和開發(fā)商更加個性化的開發(fā)平臺。其中第(I)種和第(2)種類型都是基于PC機的運動控制系統(tǒng)，在當前應(yīng)用范圍最為廣泛。但系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能上都存在很大的局限性:
實時性和可靠性差:采用通用的操作系統(tǒng)，與數(shù)控?zé)o關(guān)的任務(wù)可能占用了更多的開銷，并且還影響著系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。成本高:能滿足數(shù)控加工要求的工控機配上運動控制卡，使得系統(tǒng)成本很難降低。便攜性不足:由于必須配備相應(yīng)的工控機，使系統(tǒng)體積龐大且笨重，便攜性方面存在缺陷。(3)以微處理器或者專用芯片作為核心的運動控制器
這類運動控制器結(jié)構(gòu)簡單，大多數(shù)只能輸出脈沖信號，工作在開環(huán)控制方式。這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求的，但對于要求多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制的設(shè)備，通常不能滿足要求。并且控制器處理芯片只能作為專用，不能解放出來去進行其它工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種運動控制片上系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于IP核的設(shè)計方法，掛接在片上總線的運動控制IP核支持兩種工作方式，一種是自主地從存儲器讀取數(shù)控指令并譯碼執(zhí)行，嵌入式處理器核所做的工作只是對插補輸出進行簡單的起?？刂埔约皩Σ糠种袛嗟捻憫?yīng)，這在最大程度上降低了嵌入式處理器核在運動控制功能上的開銷，使嵌入式處理器核可以有效執(zhí)行除數(shù)控任務(wù)以外的其它實時任務(wù)，另一種方式是運動控制處理器IP核直接由嵌入式處理器核通過訪問寄存器的方式進行控制，可以執(zhí)行一些特定的運動控制指令功能。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種運動控制片上系統(tǒng)，其通過總線接口模塊掛接在片上總線上，運動控制片上系統(tǒng)包括:
片上總線、嵌入式處理器核、存儲器系統(tǒng)、DMA控制器、通信模塊IP核、運動控制IP核以及若干外設(shè)接口，嵌入式處理器核、存儲器系統(tǒng)、DMA控制器、通信模塊IP核、運動控制IP核以及若干外設(shè)接口皆連接在片上總線上；
運動控制IP核包括:片上總 線接口模塊、自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊、寄存器組、插補控制模塊、單軸控制模塊、速度控制模塊、脈沖輸出模塊、中斷處理模塊；片上總線接口連接自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊和寄存器組，插補控制模塊、單軸控制模塊和速度控制模塊也與寄存器組相連；
其中，自動指令讀取模塊通過片上總線自主從存儲器系統(tǒng)中讀取數(shù)控指令并獲取指令參數(shù)或變量，將插補位置相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至插補控制模塊，將速度控制相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至速度控制模塊，當讀取到可立即執(zhí)行的指令時，基于當前參數(shù)，自動的開始執(zhí)行相應(yīng)的動作；經(jīng)插補控制和速度控制處理產(chǎn)生的脈沖，通過脈沖輸出模塊，產(chǎn)生特定形式的驅(qū)動脈沖；在此期間，中斷處理模塊可進行各種形式的中斷輸入處理和中斷輸出。較佳的，自動指令讀取模塊和自動變量讀取模塊，自主的通過總線讀取存儲器系統(tǒng)中的指令或者變量，獲取控制信息和參數(shù)交由寄存器組。較佳的，運動控制片上系統(tǒng)還支持直接訪問嵌入式處理器核的寄存器進行控制，運動控制片上系統(tǒng)在兩種方式間協(xié)調(diào)工作，并可靈活切換。較佳的，插補控制模塊采用基于狀態(tài)機原理的數(shù)字積分插補算法完成插補輸出。較佳的，運動控制IP核還包括速度控制模塊，用以在控制X、Y、Z、U四軸中任意三軸聯(lián)動的驅(qū)動速度，或任意一軸的單軸驅(qū)動速度，驅(qū)動速度包括進行直線加/減速和S曲線加/減速。較佳的，嵌入式處理器核包括PLC核，當數(shù)控指令類型為非G指令時，嵌入式處理器核授權(quán)PLC核讀取數(shù)控指令并執(zhí)行動作。較佳的，PLC核執(zhí)行動作完成后，嵌入式處理器核指示運動控制IP核從存儲器系統(tǒng)中讀取下一個數(shù)控任務(wù)。較佳的，脈沖輸出模塊根據(jù)參數(shù)配置情況，輸出多種形式的驅(qū)動脈沖。較佳的，中斷處理模塊，根據(jù)中斷屏蔽/使能情況，處理外部輸入的各種中斷，并對外輸出中斷。
較佳的，若干外設(shè)接口支持現(xiàn)場總線接口，在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)組態(tài)編程及系統(tǒng)監(jiān)控的分布式控制，現(xiàn)場總線接口包括CAN、EPA。


圖1為本發(fā)明實施例的整體結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明實施例的運動控制IP核的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。本申請文件中采用的術(shù)語解釋如下:
AMBA:高級微控制器總線體系(Advanced Microcontroller Bus Architecture)是由ARM公司推出的一種流行的工業(yè)標準片上總線標準。2.0版AMBA標準定義了三組總線:AHB (AMBA高性能總線)、ASB (AMBA系統(tǒng)總線)、和APB (AMBA外設(shè)總線)。AHB:高級高性能總線(Advanced High-performance Bus),屬于 AMBA 總線體系一部分。APB:高級外設(shè)總線(Advanced Peripheral Bus),屬于AMBA總線體系一部分。SOC:片上系統(tǒng)(System on a Chip)。IP核:是一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序(Intellectual Propertycore)ο運動控制:指在復(fù)雜條件下，對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)定的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動。CPU:中央處理器(Central Processing Unit)。DMA:直接存儲器存取(Direct Memory Access)。MCP: (Motion Control Processor,運動控制處理器)本文中指采用模塊化設(shè)計方法完成的一種基于AMBA總線的實現(xiàn)運動控制功能的硬IP核。G、S、M、T指令:中華人民共和國機械行業(yè)標準JB/T 3208-1999公布的數(shù)控機床控制代碼指令。PLC:可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)。DSP:數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor)。FPGA:現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gata Array)。請參見圖1，圖1為本發(fā)明實施例一種基于AMBA總線的運動控制片上系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，所述一種基于AMBA總線的運動控制片上系統(tǒng)的主要內(nèi)容在于圖1中的虛線框內(nèi)部分，它是一種基于AMBA總線結(jié)構(gòu)的集成芯片解決方案，但本發(fā)明在此并不做限制，技術(shù)人員也可以將本發(fā)明應(yīng)用與任意其他類型的總線。包括:嵌入式處理器核、存儲器系統(tǒng)、DMA控制器、通信模塊IP核、運動控制IP核以及若干外設(shè)接口 ；運動控制IP核包括:片上總線、自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊、寄存器組、插補控制模塊、單軸控制模塊、速度控制模塊、脈沖輸出模塊、中斷處理模塊；片上總線接口連接自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊和寄存器組，插補控制模塊、單軸控制模塊和速度控制模塊也與寄存器組相連。以下舉一例子說明本發(fā)明的工作過程:
用戶在上位機PC上編寫的數(shù)控程序存入零件程序緩沖區(qū)，經(jīng)編譯程序進行譯碼處理，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序處理后，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果存儲在緩沖器中。以太網(wǎng)通信模塊通過以太網(wǎng)報文發(fā)送機制，從上位機PC處獲取已經(jīng)編譯處理后的用戶數(shù)控指令，并將該數(shù)據(jù)存入存儲器系統(tǒng)，可以根據(jù)實際選擇存入Flash或SRAM(Static Random Access Memory,靜態(tài)隨機存儲器)中，這里不作限定,傳輸方式也不限于以太網(wǎng)。嵌入式處理器(CPU)核采用通用的32位ARM內(nèi)核。當嵌入式處理器核運行過程中需要調(diào)用運動控制功能時，就會發(fā)送命令指示運動控制IP核開始從存儲器的指定位置取指令運行，或者直接訪問控制運動控制處理器MCP。自動取指令執(zhí)行工作模式下，運動控制(MCP)IP核在DMA控制器的控制下，從存儲器的指定地址段讀取用戶數(shù)控指令。 當所讀取的用戶數(shù)控指令是G指令時，運動控制IP就會自動譯碼并執(zhí)行插補輸出，控制進給電機運動；對于非G指令，如M、S、T等數(shù)控輔助指令，CPU會授權(quán)內(nèi)嵌PLC軟核從存儲器中讀取用戶數(shù)控輔助指令并執(zhí)行，這包括主軸電機起停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制，冷卻液開關(guān)控制，潤滑開關(guān)控制，夾具的松緊，自動換刀控制等功能。執(zhí)行完畢之后即給嵌入式處理器核送出中斷，以告知嵌入式處理器核當前指令執(zhí)行完畢，嵌入式處理器核再通知運動控制IP繼續(xù)從存儲器讀取下一個用戶數(shù)控任務(wù)并執(zhí)行。此外，PLC除了譯碼執(zhí)行數(shù)控程序的輔助指令外，還可以接受來自傳感器或控制面板的I/O信號，并可將需要的中斷等信息傳遞給嵌入式處理器核，由嵌入式處理器核指示運動控制IP核作出響應(yīng)，同樣，運動控制IP核本身的中斷處理模塊也會處理一些中斷輸入和中斷輸出。此外，運動控制IP核支持嵌入式處理器核直接控制執(zhí)行的工作方式，與自動取指令執(zhí)行方式結(jié)合，靈活性更高，可以執(zhí)行常見的G代碼指令和特定的運動控制指令功能。特定的運動控制指令功能包括:單軸位置控制中的點動、中斷定位、多段速定位、可變速運行、回原點等功能。圖2為本發(fā)明實施例運動控制IP核的結(jié)構(gòu)框圖。運動控制IP核通過APB總線接口掛接在APB總線上，通過AHB/APB橋與掛接在AHB總線上的嵌入式處理器核、DMA控制器進行數(shù)據(jù)交互。寄存器組通過APB總線接口進行讀寫操作。插補開始時，在DMA控制器的控制下，從存儲器中讀取已經(jīng)過編譯處理的用戶數(shù)控指令，將插補位置相關(guān)數(shù)據(jù)交由插補控制模塊，將速度控制相關(guān)數(shù)據(jù)交由速度控制模塊。自動指令讀取模塊通過片上總線自主從存儲器系統(tǒng)中讀取數(shù)控指令并獲取指令參數(shù)或變量，當讀取到可立即執(zhí)行的指令時，基于當前參數(shù)，自動的開始執(zhí)行相應(yīng)的動作；經(jīng)插補控制和速度控制處理產(chǎn)生的脈沖，通過脈沖輸出模塊，產(chǎn)生特定形式的驅(qū)動脈沖?；跔顟B(tài)機原理的插補控制模塊根據(jù)寄存器組的信息，進行終點判斷、溢出脈沖的輸出等。速度控制模塊根據(jù)當前的速度控制信息，進行自動的加減速控制，包括直線加減速控制和S曲線加減速控制。
脈沖輸出模塊是將來自插補控制模塊輸出的溢出脈沖分配給相應(yīng)的X、Y、Z、U四個進給軸進行脈寬變換后，以指定的脈沖形式進行輸出。可以通過APB接口配置寄存器信息，實現(xiàn)對驅(qū)動脈沖輸出模式的選擇，包括:
正原理，符號+脈沖；
正原理，CW+CCW ；
90°相位差2相脈沖；
負原理，符號+脈沖；
負原理，CW+CCW ；
負原理，90°相位差2相脈沖。來自編碼器反饋的脈沖輸入一個高級定時器，可以進行脈沖個數(shù)計數(shù)和頻率的測量，進而可以得到當前位置和速度信息，以形成半閉環(huán)的反饋。該信息可以交由插補控制模塊作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。值得說明的是:
1、用于將上位機編譯處理后的用戶數(shù)控指令寫入掛接在AMBA總線上的存儲器的通信方式不限于以太網(wǎng)， 可以是任意一種當前流行的數(shù)據(jù)通信方式。2、數(shù)控程序的編譯處理過程不限于由上位機完成，也可以直接交由嵌入式處理器核進行處理。3、作為嵌入式處理器的CPU內(nèi)核通常采用通用的32位ARM內(nèi)核，但也可以采用其它可用的微處理器。4、用于實現(xiàn)硬件插補控制的算法可以是實施例中述及的基于狀態(tài)機原理的數(shù)字積分插補算法，也可以是其它插補算法。5、片上系統(tǒng)可以是 AMBA、CoreConnect、Wishbone、OCP、Avalon 等任意一種 SoC 片上總線。6、外設(shè)接口支持現(xiàn)場總線接口，現(xiàn)場總線接口包括CAN、EPA等接口。與當前技術(shù)相比較，本發(fā)明最大的優(yōu)勢在于，掛接在片上總線上的運動控制IP核可以完整的完成數(shù)控指令所需的插補算法和加減速控制，無論插補精度和驅(qū)動速度都得到保證。此外運動控制IP核支持兩種工作方式，一種是自主地從存儲器中讀取數(shù)控指令并譯碼執(zhí)行，嵌入式處理器核所做的工作只是對插補輸出進行簡單的起停控以及對部分中斷的響應(yīng)，這在很大程度上降低了嵌入式處理器核的開銷，使嵌入式處理器核可以有效執(zhí)行除數(shù)控任務(wù)以外的其它實時任務(wù)。另一種方式是運動控制IP核直接由嵌入式處理器核控制，與自動取指令執(zhí)行的方式結(jié)合，兩者相互協(xié)調(diào)，可靈活切換，靈活性更高，可以執(zhí)行常見的G代碼指令和特定的運動控制指令功能。特定的運動控制指令功能包括:單軸位置控制中的點動、中斷定位、多段速定位、回原點等功能。本身硬核IP提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性，能夠達到較高的性能指標。另一方面，通過自動的控制讀取指令的長度，充分利用了指令周期，節(jié)省了系統(tǒng)的時鐘資源和存儲空間。以上公開的僅為本申請的一個具體實施例，但本申請并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員未經(jīng)創(chuàng)造性工作而產(chǎn)生的變化，都應(yīng)落在本申請的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種運動控制片上系統(tǒng)，其通過總線接口模塊掛接在片上總線上，其特征在于，所述運動控制片上系統(tǒng)包括: 片上總線、嵌入式處理器核、存儲器系統(tǒng)、DMA控制器、通信模塊IP核、運動控制IP核以及若干外設(shè)接口，所述嵌入式處理器核、所述存儲器系統(tǒng)、所述DMA控制器、所述通信模塊IP核、所述運動控制IP核以及所述若干外設(shè)接口皆連接在所述片上總線上； 所述運動控制IP核包括:片上總線接口模塊、自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊、寄存器組、插補控制模塊、單軸控制模塊、速度控制模塊、脈沖輸出模塊、中斷處理模塊；所述片上總線接口連接所述自動指令讀取模塊、所述自動變量讀取模塊和所述寄存器組，所述插補控制模塊、所述單軸控制模塊和所述速度控制模塊也與所述寄存器組相連； 其中，所述自動指令讀取模塊通過所述片上總線自主從所述存儲器系統(tǒng)中讀取數(shù)控指令并獲取指令參數(shù)或變量，將插補位置相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至插補控制模塊，將速度控制相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至速度控制模塊，當讀取到可立即執(zhí)行的指令時，基于當前參數(shù)，自動的開始執(zhí)行相應(yīng)的動作；經(jīng)插補控制和速度控制處理產(chǎn)生的脈沖，通過脈沖輸出模塊，產(chǎn)生特定形式的驅(qū)動脈沖；在此期間，中 斷處理模塊可進行各種形式的中斷輸入處理和中斷輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述自動指令讀取模塊和所述自動變量讀取模塊，自主的通過所述總線讀取存儲器系統(tǒng)中的指令或者變量，獲取控制信息和參數(shù)交由寄存器組。
3.如權(quán)利要求2所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述運動控制片上系統(tǒng)還支持直接訪問所述嵌入式處理器核的寄存器進行控制，所述的運動控制片上系統(tǒng)在兩種方式間協(xié)調(diào)工作，并可靈活切換。
4.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述插補控制模塊采用基于狀態(tài)機原理的數(shù)字積分插補算法完成插補輸出。
5.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述運動控制IP核還包括速度控制模塊，用以控制X、Y、Z、U四軸中任意三軸聯(lián)動的驅(qū)動速度，或任意一軸的單軸驅(qū)動速度，所述驅(qū)動速度包括進行直線加/減速和S曲線加/減速。
6.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式處理器核包括PLC核，當所述數(shù)控指令類型為非G指令時，所述嵌入式處理器核授權(quán)所述PLC核讀取所述數(shù)控指令并執(zhí)行動作。
7.如權(quán)利要求6所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述PLC核執(zhí)行動作完成后，所述嵌入式處理器核指示所述運動控制IP核從所述存儲器系統(tǒng)中讀取下一個數(shù)控任務(wù)。
8.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖輸出模塊根據(jù)參數(shù)配置情況，輸出多種形式的驅(qū)動脈沖。
9.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述中斷處理模塊，根據(jù)中斷屏蔽/使能情況，處理外部輸入的各種中斷，并對外輸出中斷。
10.如權(quán)利要求1所述的運動控制片上系統(tǒng)，其特征在于，所述若干外設(shè)接口支持現(xiàn)場總線接口，在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)組態(tài)編程及系統(tǒng)監(jiān)控的分布式控制，所述現(xiàn)場總線接口包括CAN、EPA。
全文摘要
一種運動控制片上系統(tǒng)，包括嵌入式處理器核、存儲器系統(tǒng)、DMA控制器、通信模塊IP核、運動控制IP核以及若干外設(shè)接口；運動控制IP核包括片上總線、自動指令讀取模塊、自動變量讀取模塊、寄存器組、插補控制模塊、單軸控制模塊、速度控制模塊、脈沖輸出模塊、中斷處理模塊；運動控制IP核的自動指令讀取模塊通過片上總線自主從存儲器系統(tǒng)中讀取數(shù)控指令并獲取指令參數(shù)或變量，將插補位置相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至插補控制模塊，將速度控制相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至速度控制模塊，當讀取到可立即執(zhí)行的指令時，基于當前參數(shù)，自動的開始執(zhí)行相應(yīng)的動作；經(jīng)插補控制和速度控制處理產(chǎn)生的脈沖，通過脈沖輸出模塊，產(chǎn)生特定形式的驅(qū)動脈沖。
文檔編號G05B19/414GK103226344SQ20131008774
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者周泉, 楊大勝, 潘再生, 張偉寧 申請人:浙江中控研究院有限公司