專利名稱：雙處理器運動控制卡的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種運動控制卡，尤其涉及一種用于控制步進和伺服電機、內(nèi)含
復雜嵌入式軟件的雙處理器運動控制卡。
背景技術(shù)：
大型數(shù)控加工機床設備、大型切割機等大都配套專業(yè)的運動控制系統(tǒng)(集成電路 及相應軟件)，帶畫面顯示和按鍵輸入的人機交互面板。目前市場上主流的國內(nèi)外廠商提 供的數(shù)控系統(tǒng)軟件大都建立在X86 CPU+windows類操作系統(tǒng)(比如Wince操作系統(tǒng))平臺 上，大都是選用intel X86處理器的工控機平臺，并把圖像處理和運動控制融合在同一軟件 內(nèi)。 目前已有部分廠商把運動控制的全部或部分功能挪到運動控制卡內(nèi)的嵌入式軟 件上，提高了運動控制的實時性和可靠性。但是這些廠商的運動控制卡硬件都是由單處理 器(比如C51、 ARM或者DSP)組成，為了保證加工的精度和加工的效果，在加工的過程中必 須專心做加工軌跡計算和發(fā)送位移指令，處理器不能響應鍵盤輸入、不能向顯示器的圖形 緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，更不能接收和解釋網(wǎng)絡中送來的各種數(shù)據(jù)包。 由于現(xiàn)有數(shù)控加工設備的運動控制系統(tǒng)普遍采用單處理器結(jié)構(gòu)，難以組網(wǎng)、集中 管理，即使組網(wǎng)也難以在網(wǎng)絡通信的同時并行執(zhí)行加工過程控制，以保證高速數(shù)控加工的 精確性和可靠性；另外，要使運動控制系統(tǒng)具有友好、精美、交互功能強大的人機界面，比如 類windows的界面風格和消息事件的快速響應，就需要快速處理大量內(nèi)外數(shù)據(jù)以實現(xiàn)復雜 畫面的顯示和刷新，這樣就難以避免地造成對實時加工的過程控制的影響.

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可以使數(shù)控 加工設備的實時軌跡運動控制和網(wǎng)絡通信、人機界面任務并發(fā)運行、互不影響的雙處理器 運動控制卡。
為達到上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案 雙處理器運動控制卡，包括第一微處理器模塊、與第一微處理器模塊相接的第一 存儲器模塊，以及1/0接口模塊，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是還包括第二微處理器模塊，其上接 有第二存儲器模塊，該處理器模塊與網(wǎng)絡接口相接，兩個微處理器模塊之間通過現(xiàn)場可編 程門陣列模塊連接。 本新型采用雙處理器結(jié)構(gòu)，使得第一微處理器模塊可專門負責實時加工過程控 制，主要是完成復雜加工軌跡的計算、實時向加工設備的機械執(zhí)行結(jié)構(gòu)發(fā)送指令、緊急故障 處理等任務；對于與控制卡連接的人機界面或上位機傳來的待加工圖形數(shù)據(jù)和加工指令則 由第二微處理器模塊負責接收與存儲，而不必由第一微處理器模塊停止正在進行的任務來 響應，在第二微處理器模塊接收了圖形數(shù)據(jù)及加工指令后可等到第一微處理器模塊沒有任 務執(zhí)行時再通過現(xiàn)場可編程門陣列模塊傳送給第一微處理器模塊，完成數(shù)據(jù)在控制卡內(nèi)部
3的自動切換。這樣可以避免第一微處理器模塊突然中止任務的執(zhí)行，或由于必須要接收圖 形數(shù)據(jù)及加工指令而使計算或?qū)崟r控制延遲而給加工精度造成的影響；在保證運動控制系 統(tǒng)高速高精度加工時位移和其他控制加工設備的指令的精確性、實時性、穩(wěn)定性和可靠性 的同時，還可以在加工過程中并行和外部網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換，兩者互不影響，且第二微處理 器模塊還承擔人機界面任務，控制卡自身的人機界面可以快速顯示、刷新與用戶交互的視 窗風格的復雜畫面和及時響應觸摸屏、按鍵輸入信息。 所述第一微處理器模塊為浮點數(shù)字信號處理器，因而可以勝任定點數(shù)字信號處理 器難以勝任的復雜加工軌跡的高速高精度計算。 所述第二微處理器模塊為ARM9架構(gòu)處理器，該處理器具有匪U模塊，指令執(zhí)行周 期很快，所以支持Li皿x操作系統(tǒng)的運行，利用li皿x操作系統(tǒng)對圖形界面GUI的良好支 持，可使本系統(tǒng)實現(xiàn)比較消耗處理器資源和儲存資源的帶消息機制的視窗風格的直觀人機 界面。此外，li皿x操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡通信功能以及進程調(diào)度的分時機制，非常適合承擔 本運動控制卡外圍實時性要求不強的任務。所述第一存儲器模塊包括同步動態(tài)隨機存取存儲器和N0R FLASH。 所述第二存儲器模塊包括同步動態(tài)隨機存取存儲器和NAND FLASH。 所述I/O接口模塊與現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接。 所述現(xiàn)場可編程門陣列模塊上還接有數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊。 本新型運動控制卡與人機界面、上位機及數(shù)控加工設備組成系統(tǒng)時，由第二微處 理器模塊響應和顯示從人機界面或網(wǎng)絡內(nèi)的上位機傳來的輸入信息和指令，并按要求把上 位機監(jiān)控的加工設備的運行狀態(tài)信息及時反饋給上位機；第一微處理器模塊專門負責實時 加工過程控制，在第一微處理器模塊沒有執(zhí)行任務時，第二處理器模塊再將所接收的數(shù)據(jù) 流通過現(xiàn)場可編程門陣列模塊轉(zhuǎn)發(fā)給第一處理器模塊，第一處理器模塊經(jīng)過計算和分析后 通過1/0接口模塊或數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊將信號傳送至數(shù)控加工設備進行具體的操作。 與現(xiàn)技術(shù)相比，本實用新型雙處理器運動控制卡的優(yōu)點在于 1、由于采用ARM9+浮點數(shù)字信號處理器雙處理器結(jié)構(gòu)，本新型在實現(xiàn)運動控制系
統(tǒng)高速高精度加工時位移指令的精確性、實時性、穩(wěn)定性和可靠性的前提下，還可以在加工
過程中并行和外部網(wǎng)絡進行大容量、高帶寬數(shù)據(jù)交換，同時系統(tǒng)具備良好的、帶消息機制的
視窗風格因而易于操作的人機交互界面，在特定的顯示屏上顯示加工狀態(tài)的復雜信息，并
及時響應和顯示鍵盤按鍵的輸入信息，使運動控制系統(tǒng)的加工速度、精確度、可靠性、穩(wěn)定
性、直觀良好的人機界面、易操作性、網(wǎng)絡通信能力這些指標同時得到滿足。 2、可對多臺數(shù)控加工設備組網(wǎng)，以便集中、及時監(jiān)控和管理。

圖1為本新型提供的雙處理器運動控制卡的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型雙處理器運動控制卡包括第一微處理器模塊、第二微處 理器模塊、現(xiàn)場可編程門陣列模塊(FPGA)以及I/0接口模塊，第一微處理器模塊與第二微 處理器模塊之間通過FPGA模塊連接，其中[0021] 第一微處理器模塊為浮點DSP處理器，在處理器上對接同步動態(tài)隨機存取存儲器 (SDRAM)及大容量存儲器NOR FLASH,該微處理器完成加工軌跡的高速高精度計算和實時控 制，上述DSP處理器具體選用TI公司的TMS320C6726芯片，此芯片浮點計算能力強； 第二微處理器模塊為ARM 9架構(gòu)處理器，片內(nèi)外設模塊豐富，并支持多種高級操 作系統(tǒng)(比如Li皿x， WinCE)等運行；該處理器與網(wǎng)絡接口相接，在處理器上對接有同步 動態(tài)隨機存取存儲器(SDRAM)及大容量存儲器NAND FLASH,該微處理器承擔運動控制卡 與外部網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信以及人機交互界面任務，上述ARM 9處理器具體選用ATMEL公司的 AT91SAM9260芯片；AT91SAM9260芯片上移植嵌入式li皿x系統(tǒng)，ARM9的應用軟件運行在 li皿x系統(tǒng)上，利用li皿x操作系統(tǒng)強大的網(wǎng)絡通信功能(比如完善高效的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié) 議棧)以及對圖形界面GUI的良好支持，承擔運動控制卡外圍實時性要求不強的任務。 FPGA模塊選用Lattice公司的LFXP2_5Q208，內(nèi)配數(shù)據(jù)緩存，完成DSP和ARM 9兩 處理器間的雙向數(shù)據(jù)橋接；FPGA還連接數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊(多路16位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片)； 所述的I/O接口模塊可以與FPGA模塊連接也可以與第一微處理器模塊連接，在本 實施方式中考慮到第一微處理器模塊(浮點DSP處理器)上的通用IO引腳數(shù)目較少，以及 為了保證加工軌跡的實時、精確控制，將1/0接口模塊與FPGA模塊連接。 本新型運動控制卡與人機界面、上位機及數(shù)控加工設備組成系統(tǒng)時，實現(xiàn)單機或 聯(lián)網(wǎng)操作。每臺數(shù)控加工設備安裝一個運動控制卡，所述的人機界面(具體包括觸摸屏、自 定義矩陣鍵盤)直接與第二微處理器連接，所述的上位機(可以是PC機或筆記本電腦)在 單獨控制一臺數(shù)控設備時則通過網(wǎng)絡接口與第二微處理器連接，如需要同時控制兩臺或兩 臺以上的數(shù)控設備時，則可在上位機與本新型運動控制卡的網(wǎng)絡接口間加設一臺工業(yè)以太 網(wǎng)交換機。 具體的實施過程中，ARM 9處理器承擔運動控制卡外圍實時性要求不強的任務，主 要是通過以太網(wǎng)口接收網(wǎng)絡送來的待加工圖形數(shù)據(jù)和加工指令、接收本新型運動控制卡的 鍵盤或觸摸屏的輸入數(shù)據(jù)和指令、視圖風格的復雜界面顯示和內(nèi)容刷新、設備狀態(tài)監(jiān)控和 告警信息定期采集和上報至上位機、存儲數(shù)據(jù)文件等任務；而浮點DSP處理器專門負責實 時加工過程控制，主要是復雜加工軌跡的高速高精度計算、實時向加工設備的機械執(zhí)行結(jié) 構(gòu)發(fā)送指令、緊急故障處理等任務。ARM9和浮點DSP獨立處理各自的任務，兩個處理器內(nèi)部 的任務可以并發(fā)執(zhí)行。ARM9和浮點DSP兩處理器間按特定的軟硬件協(xié)議進行信息交互，如 在DSP處理器沒有執(zhí)行任務時，ARM 9處理器將接收到的數(shù)據(jù)流通過FPGA傳送至DSP處理 器，完成數(shù)據(jù)在控制卡內(nèi)部的自動切換，DSP處理器經(jīng)過計算和分析后通過I/0接口模塊或 DA模塊將信號傳送至數(shù)控加工設備進行具體的操作。
權(quán)利要求雙處理器運動控制卡，包括第一微處理器模塊、與第一微處理器模塊相接的第一存儲器模塊，以及I/O接口模塊，其特征在于還包括第二微處理器模塊，其上接有第二存儲器模塊，該處理器模塊與網(wǎng)絡接口相接，兩個微處理器模塊之間通過現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述第一微處理器模塊 為浮點數(shù)字信號處理器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述第二微處理器模塊為ARM9架構(gòu)處理器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任何一項所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述第一存儲器模塊包括同步動態(tài)隨機存取存儲器和N0RFLASH。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述第二存儲器模塊包 括同步動態(tài)隨機存取存儲器和NAND FLASH。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述I/0接口模塊與現(xiàn) 場可編程門陣列模塊連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙處理器運動控制卡，其特征在于所述現(xiàn)場可編程門陣列 模塊上還接有數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊。
專利摘要本新型涉及一種運動控制卡，具體是雙處理器運動控制卡，包括第一微處理器模塊、與第一微處理器模塊相接的第一存儲器模塊，以及I/O接口模塊，還包括第二微處理器模塊，其上接有第二存儲器模塊，該處理器模塊與網(wǎng)絡接口相接，兩個微處理器模塊之間通過現(xiàn)場可編程門陣列模塊連接。與現(xiàn)技術(shù)相比，本新型采用雙處理器結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)運動控制系統(tǒng)高速高精度加工時位移指令的精確性、實時性、穩(wěn)定性和可靠性的前提下，還可以在加工過程中并行和外部網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換，同時系統(tǒng)具備良好的人機交互界面，在特定的顯示屏上顯示加工狀態(tài)的復雜信息，并及時響應和顯示鍵盤按鍵的輸入信息；可對多臺數(shù)控加工設備組網(wǎng)，以便集中監(jiān)控和管理。
文檔編號G05B19/414GK201489345SQ20092014110
公開日2010年5月26日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者鄧瑩 申請人:鄧瑩