本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，特別是食品生產(chǎn)與加工工業(yè)、汽車及汽車零部件制造行業(yè)、電子元器件制造行業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展，推動(dòng)并引領(lǐng)我國制造業(yè)從傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型向以自動(dòng)化、信息化等為特征的現(xiàn)代技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。

工業(yè)機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在加工、焊接、搬運(yùn)、噴涂、裝配等工業(yè)生產(chǎn)中替代或協(xié)助人進(jìn)行工作，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率及生產(chǎn)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，保障了人身安全。因此，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由運(yùn)動(dòng)控制器、執(zhí)行器、傳感器、傳動(dòng)部件構(gòu)成。其中，運(yùn)動(dòng)控制器是機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的最頂層規(guī)劃裝置，它將機(jī)器人要完成的動(dòng)作轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制器指令，并采集信號經(jīng)過運(yùn)算為電機(jī)等機(jī)器人動(dòng)力裝置提供控制信號，使機(jī)器人正確動(dòng)作，所以它是工業(yè)機(jī)器人的大腦。

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器研究現(xiàn)狀：

(1)“PC/工控機(jī)(IPC)+運(yùn)動(dòng)控制卡”(PC模式)：這種模式控制系統(tǒng)被稱為基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，此種模式把與計(jì)算機(jī)相獨(dú)立的、具備開放式軟硬件結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制卡，通過PCI等標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)總線連接至計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)插入運(yùn)動(dòng)控制卡，與上位機(jī)控制軟件一起構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過專用接口對驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。通過在PC及操作系統(tǒng)下調(diào)用相關(guān)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)、伺服控制等基本運(yùn)動(dòng)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制芯片(ASIC)或?qū)Ｓ锰幚砥?ASIP),一些芯片還是專門為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的，如MCX314，具有各種基本插補(bǔ)功能，急停、硬限位等I/O控制功能，可實(shí)現(xiàn)對數(shù)字伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制。同時(shí)，還存在基于PCI、ISA等PC總線的以DSPs或FPGA或其他處理器如ARM等作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制卡。PC模式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)體系雖然具備出色的開放性，但由于PC機(jī)的體積過大，基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不能集成到對體積嚴(yán)格要求的微小型工業(yè)系統(tǒng)內(nèi)。另外，基于PC的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)雖然具備人機(jī)交互等豐富的功能，但對一些功能要求簡單的工業(yè)系統(tǒng)就顯得資源過剩，而過多的功能與接口又增加了系統(tǒng)的成本。同時(shí)，該類控制器主要基于微軟Windows通用操作系統(tǒng)，而Windows不是面向工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，無法滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性控制要求；同時(shí)Windows操作系統(tǒng)是代碼不開源的商品化操作系統(tǒng)，因此無法對其進(jìn)行實(shí)時(shí)性改造。

(2)“嵌入式處理器/IPC+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”(非PC模式)：

非PC模式的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)控制器可獨(dú)立于PC或IPC運(yùn)行。工業(yè)環(huán)境存在很多限制，如空間體積等，而且存在各種電磁干擾。通過嵌入式技術(shù)，將運(yùn)動(dòng)控制器小型化并增強(qiáng)其抗干擾能力，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，既解決了穩(wěn)定性問題，又降低了控制系統(tǒng)的成本。

“PC模式”與“非PC模式”兩種總體架構(gòu)?！癙C模式”運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)在于基于PC機(jī)使得控制系統(tǒng)具有良好的開放性，同時(shí)可以利用PC機(jī)豐富的資源。缺點(diǎn)在于由于PC機(jī)的存在，使得控制系統(tǒng)體積過大，不利于集成；同時(shí)PC機(jī)資源過剩，無法得到有效利用，無形中增加了系統(tǒng)的成本；普通PC機(jī)抗干擾能力低，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低；PC機(jī)上處理過多的任務(wù)，影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?！胺荘C模式”運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)在于利用嵌入式軟硬件技術(shù)，減小了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模，提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，提高了可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)降低了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問題和/或缺陷，并提供至少后面將說明的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)。

為此，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)，包括：

ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，

FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負(fù)責(zé)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴(kuò)展IO信號的處理。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)中，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)中，所述ARM處理器上設(shè)置有SPI接口。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)中，所述ARM處理器為嵌入式。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)中，所述ARM處理器包括集成于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器電路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通過排針將各個(gè)功能端口引出，并和FPGA最小系統(tǒng)接口板連接。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)中，所述FPGA最小系統(tǒng)接口板采用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。

優(yōu)選的是，所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)，還包括：利用長線傳輸驅(qū)動(dòng)芯片AM26LS31將單端TTL信號轉(zhuǎn)換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

1.運(yùn)動(dòng)控制器采用嵌入式微處理器ARM作為主處理器，更擅長事件管理，并且可以快速實(shí)現(xiàn)不同模式的切換，這對于操作系統(tǒng)來說是非常有益的。

2.運(yùn)動(dòng)控制器采用FPGA作為協(xié)處理器，解決了專用控制芯片功能單一、靈活性差的不足，具備方便靈活的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性。同時(shí)，F(xiàn)PGA擁有強(qiáng)大的并行計(jì)算和執(zhí)行能力，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到很大提升，而且具備較高的可靠性。

3.實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于PC或IPC運(yùn)行的功能，利用嵌入式硬件技術(shù)，減小了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模，提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時(shí)降低了成本。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中ARM核心板的照片；

圖3為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中FPGA最小系統(tǒng)接口板的照片；

圖4為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中的電源接口電路示意圖；

圖5為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中一路脈沖信號的轉(zhuǎn)換原理；

圖6為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中IO接口電路圖；

圖7為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中模擬量輸出接口電路圖；

圖8為本發(fā)明其中一個(gè)實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)器接口電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語并不配出一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。

本發(fā)明主要架構(gòu)方案：“ARM主處理器+FPGA協(xié)處理器”。

硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)體系為：ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與下位協(xié)處理器FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。FPGA負(fù)責(zé)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴(kuò)展IO信號的處理。實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于PC或IPC運(yùn)行的功能，利用嵌入式硬件技術(shù)，減小了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模，提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時(shí)降低了成本。

本發(fā)明提供一種工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的架構(gòu)，包括：

ARM處理器，其作為主處理器，用于事件管理；和，

FPGA處理器，其與所述ARM處理器連接，作為協(xié)處理器，用于負(fù)責(zé)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴(kuò)展IO信號的處理。

在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，作為優(yōu)選，所述ARM處理器與所述FPGA處理器通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，作為優(yōu)選，所述ARM處理器上設(shè)置有SPI接口。

在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，作為優(yōu)選，所述ARM處理器為嵌入式。

在上述方案中，作為優(yōu)選，所述ARM處理器包括集成于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器電路板上的ARM核心板，所述ARM核心板通過排針將各個(gè)功能端口引出，并和FPGA最小系統(tǒng)接口板連接。

在上述方案中，作為優(yōu)選，所述FPGA最小系統(tǒng)接口板采用的為Xilinx SpartanⅢ系列的FPGA芯片XC3S400。

在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，作為優(yōu)選，還包括：利用長線傳輸驅(qū)動(dòng)芯片AM26LS31將單端TTL信號轉(zhuǎn)換為雙端差分信號傳輸，以減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾。

運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理器必須具備多事件管理能力。同時(shí)，由于ARM架構(gòu)的不斷演進(jìn)，半導(dǎo)體工藝的不斷提高，新一代ARM的主要技術(shù)指標(biāo)不斷提高，主頻由幾十兆赫茲提高至幾百兆赫茲，時(shí)鐘周期大幅度降低，采用了改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作和取指操作；流水線級數(shù)不斷增加，提高了ARM并行處理能力；增加了增強(qiáng)型硬件乘法器設(shè)計(jì)，它的數(shù)字信號處理能力進(jìn)一步增強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法。因此，選擇ARM作為運(yùn)動(dòng)控制器主處理器。

對于機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制器，需要處理器具備多管腳輸入輸出能力，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)編碼器信號處理、位置脈沖及速度模擬電壓輸出等基本功能。FPGA作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路，具有豐富的輸入輸出模塊，既滿足了IO擴(kuò)展的要求，又通過在大規(guī)模門電路基礎(chǔ)上的硬件編程語言程序設(shè)計(jì)，解決了專用IO擴(kuò)展集成電路的不足，實(shí)現(xiàn)了輸入輸出功能的靈活配置。同時(shí),FPGA具備其它處理器沒有的并行處理能力，十分適合多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)同步性和實(shí)時(shí)性的要求。因此，選擇FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器協(xié)處理器，與ARM配合完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

“ARM主處理器+FPGA協(xié)處理器”通信總線，最主要的特點(diǎn)是ARM與FPGA之間通過總線直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。FPGA上的總線接口可通過硬件描述語言(HDL)編程實(shí)現(xiàn)，不同的邏輯時(shí)序可實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議總線接口。采用串行總線作為ARM和FPGA之間的通信載體，由于ARM處理器上有專用SPI(Serial Peripheral Interface)接口，SPI通信速率可達(dá)25Mbps，滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器通信速率要求，可作為該嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器第一代樣機(jī)主，協(xié)處理器通信接口。具體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與下位協(xié)處理器FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。FPGA負(fù)責(zé)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制，輸出數(shù)字量控制DAC，輸出位置脈沖，接收編碼器信號，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模式配置IO信號的處理以及擴(kuò)展IO信號的處理。

嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的核心處理芯片為ARM和FPGA。一款名為SBC84621的ARM核心板被集成到嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器電路板上，該板采用AMD CS5536CPU，擴(kuò)展了存儲容量為512Mb的DDR400SO-DIMM CL3。ARM核心板通過排針將各個(gè)功能端口引出和FPGA最小系統(tǒng)接口板連接，可利用該核心板上的以太網(wǎng)、串口、USB或音頻等接口。FPGA最小系統(tǒng)接口板使用了Xilinx SpartanⅢ系列的一款FPGA芯片XC3S400，可滿足本控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

ARM核心板與FPGA最小系統(tǒng)接口板如圖2和3所示。

針對ARM和FPGA的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)芯片外圍基本功能電路，實(shí)現(xiàn)如電源供應(yīng)、程序復(fù)位、程序的調(diào)試及下載。ARM核心板供電電壓為3.3V，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)接口板需要3.3V、2.5V及1.2V三種電壓供電，如圖4所示。

為了減小位置脈沖信號在傳輸過程中受到的電磁干擾，利用長線傳輸驅(qū)動(dòng)芯片AM26LS31將單端TTL信號轉(zhuǎn)換為雙端差分信號傳輸，如圖5所示(圖中為一路脈沖信號的轉(zhuǎn)換原理)：

運(yùn)動(dòng)控制器中存在兩種輸入輸出開關(guān)量信號：一種是伺服驅(qū)動(dòng)器控制模式配置IO信號，當(dāng)相關(guān)配置信號正確時(shí)，驅(qū)動(dòng)器才可以正常工作，此種IO信號是基本IO信號；另一種是額外增加的輸入輸出開關(guān)量信號，來滿足運(yùn)動(dòng)控制開關(guān)控制功能擴(kuò)展，此種信號是擴(kuò)展的IO信號。兩種IO信號的處理方式一致。如圖6所示，按照伺服驅(qū)動(dòng)器用戶手冊推薦方式，對于運(yùn)動(dòng)控制器輸出開關(guān)量信號，首先通過普通光耦TLP181將前后兩級隔離，同時(shí)將CMOS電平信號轉(zhuǎn)換為24V電壓信號，然后利用達(dá)林頓管芯片ULN2804，將信號功率放大，提高驅(qū)動(dòng)能力。

模擬量輸出接口電路如圖7所示。

驅(qū)動(dòng)器接口電路如圖8所示。

以上詳細(xì)介紹了工業(yè)機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器硬件電路設(shè)計(jì)。首先，從運(yùn)動(dòng)控制器硬件架構(gòu)的角度描述了控制器的總體結(jié)構(gòu)，包括核心處理器的選擇以及核心處理器間的通信總線的選擇，最終確定了以“ARM主處理器+FPGA協(xié)處理器”以及SPI串行通信總線的硬件方案。接著，詳細(xì)介紹了以各個(gè)單元電路的功能和設(shè)計(jì)，包括運(yùn)動(dòng)控制器核心及其外圍基本電路。

如上所述，本發(fā)明將ARM核心板為上位主處理器電路板，通過SPI高速串行接口總線與作為下位協(xié)處理器的FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。FPGA負(fù)責(zé)各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制、輸出數(shù)字量控制、輸出位置脈沖、接收編碼器信號及擴(kuò)展IO信號的處理。實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立于PC或IPC運(yùn)行的功能，利用嵌入式硬件技術(shù)，減小了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模，提高工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的集成度，滿足了精度要求，同時(shí)降低了成本。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。