運動控制終端的擴展方法及系統的製作方法

2023-06-08 07:29:06 5

專利名稱：運動控制終端的擴展方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種運動控制技術，尤其是一種通過帶有身份識別的通訊方法實現多軸運動控制的方法及系統，具體地說是一種運動控制終端的擴展方法及系統。
背景技術：
傳統的開放式運動控制系統大多是基於PC機的，即將運動控制板卡插入PC的PCI 槽，由PC機實現上位機功能，用戶通過PC機上的運動控制界面將期望的運動參數通過PCI 總線發送至運動控制板卡，同時運動控制板卡將軸的實際運動參數信息通過PCI總線反饋給上位機，用戶可通過運動控制界面實時監控實際運動參數。上述這種運動控制系統的實現，需要開發相應的驅動程序，才能實現數據的交互、命令的傳遞，一旦上位機硬體或者作業系統發生改變，驅動程序也要進行修改，並且PC機的總線擴展帶寬和PC機本身插槽也有所限制，因此，在多軸的運動控制系統中應用受限，可擴展性差，同時此方法具有布線繁瑣、 系統升級維護困難，硬體成本昂貴等缺點。因此，針對運動控制系統中的上述問題，必須從通訊方法和運動控制板卡上採取措施來提高系統的可擴展性，降低系統成本。

發明內容
本發明的目的是針對現有的運動控制終端數量有限，布線繁瑣、系統升級維護困難，硬體成本昂貴等問題，發明一種可擴展性強、成本低的運動控制終端的擴展方法及系統。本發明的技術方案之一是
一種運動控制終端的擴展方法，其特徵是通過採用帶有身份識別的通訊方法和「一主多從」的網絡架構實現運動控制系統的多軸擴展，提高系統的擴展性；作為主站使用帶通用網卡接口的PC機，各個從站均主要由通用乙太網晶片和基於FPGA的網絡運動控制晶片構成；主站通過交換機和乙太網把命令和數據發往從站，從站由基於FPGA的網絡運動控制晶片接收到報文數據，通過報文數據解析，確定從站的ID號，並將運動參數及命令發往各個運動控制模塊，實現電機的控制；同時在FPGA內部，通過接口實現對運動過程中的信息採集，最終以規定的數據包格式發回主站，實現整個擴展後的運動控制系統的控制。( 1)作為主機的PC機是帶通用乙太網網卡接口的計算機。在PC機中通過軟體編輯運動控制界面，並且實現運動控制規劃和插補運算。PC機使用標準乙太網的TCP/IP協議將包含運動參數數據的數據幀打包發送至包含1588時鐘同步協議的網絡交換機。(2)作為連接主機和從機的同步交換機，使用TCP/IP的乙太網數據幀經過所述包含1588時鐘同步協議的網絡交換機後，發往各個從站。所述包含1588時鐘同步協議的網絡交換機不僅可以實現數據包的快速轉發還可以同步各從站的標準時鐘，以實現同步運動控制。(3)作為終端的網絡從站。網絡從站主要採用以FPGA為核心，配上標準乙太網網絡晶片，完成網絡通信及運動控制功能。所述網絡從站在FPGA內部包含以下模塊標準乙太網網絡晶片接口模塊、報文數據解析模塊、接口模塊(精插補、脈寬調製、編碼器計數與鑑向、I/O)、時鐘管理模塊。所述的基於FPGA的網絡運動控制晶片主要由標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1、 報文數據解析模塊2-3、接口模塊2-4和時鐘管理模塊2-2組成，標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1包含對乙太網網絡晶片的晶片初始化模塊、數據接收模塊和數據發送模塊；接口模塊2-4接收到報文數據，並將報文數據中的有效數據段送至報文數據解析模塊2-3，所述報文數據解析模塊2-3分別將解析出的相應參數數據發往相應模塊。所述的身份識別是通過基於FPGA的網絡運動控制晶片中的初始化模塊實現的； 初始化時，基於FPGA的網絡運動控制晶片中的標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1完成對 DM9000A初始化的控制，使DM9000A進入收發數據等待狀態，主站以廣播形式發送起始報文數據，所有從站都接收起始報文數據，隨之，反饋自己的應答報文數據；初始化完成後，進行數據通訊，從站通過數據報文的解析，可以得到相應的參數及命令，然後發給FPGA中相應的功能模塊，實現運動控制功能。所述的主站所發的報文的格式為報文頭、數據發送區和數據返回區，報文頭包括 C/R位、數值更新Update Number位和從站身份識別ID位，C/R位用來標示此數據包的來源與方向，C/R = 0表示此數據包為主站發出的命令數據COmmand，C/R = 1表示此數據包為從站發送的回應數據response，數值更新Update Number位用來區別相鄰接收到的數據包， 因此設定每個通訊周期Update Number自動加「 1」，從站身份識別ID位標示了該從站在整個運動控制網絡中的唯一 ID值；數據發送區包括運動參數、工具機參數和命令位置數據；數據返回區包括實際位置數據。本發明的技術方案之二是
一種終端可任意擴展的運動控制系統，它包括作為運動控制網絡主站的PC機1-1、交換機1-2、運動控制網絡從站1-3、信號處理電路1-7和電機1-8，各電機1-8與對應的信號處理電路1-7相連，信號處理電路1-7與對應的運動控制網絡從站1-3相連，各運動控制網絡從站1-3通過乙太網和交換機1-2與作為主站的PC機1-1相連，其特徵是所述的運動控制網絡從站1-3由RJ45標準乙太網線纜接口 1-4、通用乙太網晶片1-5和基於FPGA的運動控制晶片1-6組成，RJ45標準乙太網線纜接口 1-4作為運動控制網絡從站1-3與主站之間的輸入輸出接口通過通用乙太網晶片1-5與乙太網相連，基於FPGA的運動控制晶片1-6與信號處理電路1-7相連。所述的基於FPGA的運動控制晶片106主要由標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1、 報文數據解析模塊2-2、接口模塊2-4和時鐘管理模塊2-2組成，接口模塊2-4分別與信號處理電路1-7及報文數據解析模塊2-2相連，報文數據解析模塊2-2同時與標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1及時鐘管理模塊2-2相連，標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1與通用乙太網晶片1-5相連；標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1由初始化模塊、數據發送模塊和數據接收模塊組成。
本發明的有益效果
1.本發明提出的一種運動控制系統的可擴展性方法，通過一種帶有身份識別的通訊方法，實現運動控制系統的任意擴展。2.本發明提出的一種通用的基於標準乙太網的運動控制網絡構建方法，擺脫了需要專用網絡晶片的技術束縛，提高了運動控制網絡的通用性和可擴展性。3.本發是明提出的在單片FPGA內集成對網絡晶片的控制、數據協議解析、運動控制和編碼器反饋等功能，從而簡化了硬體電路，降低了硬體成本，提高了晶片的集成化程度。


圖1是本發明的可擴展的多軸運動控制系統總體框圖。圖2是本發明的基於FPGA的網絡從站運動控制晶片框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。實施例一。如圖1-2所示。一種運動控制終端的擴展方法，它採用帶有身份識別的通訊方法和「一主多從」的網絡架構實現運動控制系統的多軸擴展，提高系統的擴展性。作為主站使用帶通用網卡接口的PC機，從站由通用乙太網晶片和基於FPGA的網絡運動控制晶片構成。主站通過乙太網把命令和數據按照一種通訊方法發往從站，從站由基於FPGA的網絡運動控制晶片接收到報文數據，通過報文數據解析，確定ID號，並將運動參數及命令發往各個運動控制模塊， 實現電機的控制。同時在FPGA內部，通過一些接口實現對運動過程中的信息採集，最終以規定的數據包格式發回主站，實現整個系統的控制。( 1)作為上位機的PC機是帶通用乙太網網卡接口的計算機。在PC機中通過軟體編輯運動控制界面，並且實現運動控制規劃和插補運算。PC機使用標準乙太網的TCP/IP協議將包含運動參數數據的數據幀打包發送至包含1588時鐘同步協議的網絡交換機。(2)同步交換機。使用TCP/IP的乙太網數據幀經過所述包含1588時鐘同步協議的網絡交換機後，發往各個從站。所述包含1588時鐘同步協議的網絡交換機不僅可以實現數據包的快速轉發還可以同步各從站的標準時鐘，以實現同步運動控制。(3)網絡從站。網絡從站主要採用以FPGA為核心，配上標準乙太網網絡晶片，完成網絡通信及運動控制功能。所述網絡從站在FPGA內部包含以下模塊標準乙太網網絡晶片接口模塊、報文數據解析模塊、接口模塊(精插補、脈寬調製、編碼器計數與鑑向、I/O)、時鐘管理模塊。所述的運動控制系統的通訊方法，通過身份識別實現控制系統的可擴展性，包括
初始化，所述標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1完成對DM9000A初始化的控制，使 DM9000A進入收發數據等待狀態，主站以廣播形式發送起始報文數據，所有從站都接收起始報文數據，隨之，反饋自己的應答報文數據。初始化完成後，進行數據通訊，通過數據報文的解析，可以得到相應的參數及命令，然後發給FPGA中相應的功能模塊，實現運動控制功能。
本發明所述的運動控制系統的通訊方法，其特徵在於，所述報文格式為報文頭、 數據發送區、數據返回區。(1)報文頭包括C/R位、數值更新(Update Number)位和從站身份識別(ID)位。 C/R位用來標示此數據包的來源與方向，C/R = 0表示此數據包為主站發出的命令數據 (command), C/R = 1表示此數據包為從站發送的回應數據(response)。數值更新(Update Number)位用來區別相鄰接收到的數據包，因此設定每個通訊周期(Update Number)自動加 「1」。從站身份識別(ID)位標示了該從站在整個運動控制網絡中的唯一 ID值。(2)數據發送區包括運動參數、工具機參數、命令位置數據。(3)數據返回區包括實際位置數據。實施例二。如圖1-2所示。一種終端可任意擴展的運動控制系統，它包括作為運動控制網絡主站的PC機 1-1、包含1588時鐘同步協議的交換機1-2、運動控制網絡從站1_3、RJ45標準乙太網線纜接口 1-4、通用乙太網晶片1-5、基於FPGA的網絡從站運動控制晶片1-6、信號處理電路1-7、 電機1-8，各電機1-8與對應的信號處理電路1-7相連，信號處理電路1-7與對應的運動控制網絡從站1-3相連，各運動控制網絡從站1-3通過乙太網和交換機1-2與作為主站的PC 機1-1相連，所述的運動控制網絡從站1-3由RJ45標準乙太網線纜接口 1-4、通用乙太網晶片1-5和基於FPGA的運動控制晶片1-6組成，RJ45標準乙太網線纜接口 1_4作為運動控制網絡從站1-3與主站之間的輸入輸出接口通過通用乙太網晶片1-5與乙太網相連，基於FPGA的運動控制晶片1-6與信號處理電路1-7相連。如圖1所示，圖中省略了 RJ45標準乙太網線纜接口 1-4與通用乙太網晶片1-5之間的網絡變壓器以及基於FPGA的網絡從站運動控制晶片的硬體處理電路。其中信號處理電路包括I/O處理電路、編碼器信號處理電路、脈寬調製信號處理電路和脈衝輸出處理電路。作為核心單元的網絡從站主要在FPGA中實現，如圖2所示。所述基於FPGA的運動控制晶片106由以下模塊構成標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1、報文數據解析模塊2-2、 接口模塊2-4、時鐘管理模塊2-2。其各個模塊具體描述如下
1、所述標準乙太網網絡晶片接口模塊2-1中的初始化模塊完成對DM9000A的控制，實現利用乙太網進行數據通訊，具體步驟
(1)由於復位後，DM9000A恢復默認的休眠狀態以降低功耗，因此首先激活DM9000A的 PHY，設置 GPR (REG_1F) CEPIOO bit
= 0;
(2)接著進行兩次軟復位，步驟如下設置NCR(REG_00)bit[2:0] = 011，至少保持 20us,清除 NCR(REG_00) bit[2:0] = 000 ；再次設置 NCR(REG_00) bit[2:0] = 011,至少保持 20us,再清除 NCR(REG_00) bit[2:0] = 000 ；
(3)配置NCR寄存器，設置NCR(REG_00)bit[2:l] = 00 ；配置為正常模式。通過改變該寄存器可以選擇內部或者外部PHY、全雙工或者半雙工模式、使能喚醒事件等網絡操作；
(4)清除發送狀態，設置NSR (REG_01) bit [5] = 1，[bit3] = 1，[bit2] = 1 ；
(5)通過IMR寄存器，設置PRMbit[l] = 1，使DM9000A在接收到一幀新數據時產生一個接收中斷通知所述數據接收模塊；
(6)設置RCR寄存器，使能數據接收功能。
2、報文數據發送模塊
數據發送模塊同樣採用狀態機編程，步驟如下DM9000A的發送緩衝區可同時存儲兩幀數據，標記為幀I和幀II。發送過程中首先FPGA通過寫操作寄存器MWCMD向DM9000A 的發送緩衝區寫入需要發送的數據幀，接著將數據長度信息寫入寄存器FCH和FDH。最後， FPGA將發送控制寄存器TCR置為高電平，DM9000A將自動完成乙太網數據幀格式的要求發送數據。在幀I發送的同時，幀II的數據即可寫入發送緩衝區。當幀I發送完成之後，便可進行幀II的發送，依次類推，在發送的過程中，幀I與幀II將輪替的進行發送。3、報文數據接收模塊
與數據發送模塊相對應的是數據接收模塊，採用狀態機編程，接收過程如下當 DM9000A接收到新數據，寄存器ISR的PRS位將被置「0」。如果FPGA查詢到PRS位等於「0」， 則首先恢復PRS = 1。其次判斷數據首字節，若為OlH則表明接收到了數據，若為OOH則說明沒有接收到數據。如果既不是OlH也不是OOH表明DM9000進入異常，需要對其進行軟復位操作。當接收數據完成之後，FPGA重新回到查詢標誌位狀態。接收到得數據將進入報文數據解析模塊2-6。所述2-6接收到完整的乙太網數據幀之後自動去除前導碼(preamble)、 SFD、目的地址、源地址、長度/類型碼以及CRC校驗值，然後對用戶定義的數據段進行數據協議解析。4、報文數據解析模塊
從站可根據ID號檢驗是否收到正確的數據包。當2-6確認收到正確數據之後，進入運動參數解析數據段，本數據包協議採用一個軸的插補位置參數佔用兩個字節的方法，這樣每個從站的數據包最多可包含三個軸的插補位置參數。插補周期參數信息同樣由六個字節構成，每個軸的參數佔用兩個字節，精插補器通過該參數可以設定其插補周期。若數據包中 C/R = 1，即此數據包為從站發送的回應數據(response)時，命令代碼(Command Code)將返回上一個數據包中的原值作為響應，同時插補位置參數信息將變為運動的實際位置值信息，同樣採用一個軸的實際位置參數佔用兩個字節的方法，並且與命令幀數據包中的數據段位置相一致。插補周期參數信息段同樣按發送的原值返回至主站。數據協議模塊將運動參數發往精插補器實現驅動脈衝輸出，同時將編碼器反饋數據在下一個通訊周期返還至主站PC機。工具機參數佔用數據段4個字節長度。其中前2個字節(16bit)用於輸出I/O量， 具體定義由特定工具機決定，後2個字節用於輸入I/O量，表示工具機的狀態。工具機參數數據段將由I/O接口模塊與工具機互連。最後12個字節由脈寬調製數據佔用，脈寬調製據將發往脈寬調製輸出模塊。時鐘管理模塊由兩部分組成，分別為PLL倍頻和時鐘分頻器。PLL倍頻將輸入FPGA的30MHz時鐘信號倍頻至IOOMHz作為標準乙太網網絡晶片接口模塊的基準時鐘，以實現IOOMbps速率下數據的快速收發。時鐘分頻器則將30MHz分頻之後作為其他模塊的基準時鐘。5、接口模塊，實現與硬體電路相關的接口，包括脈寬調製模塊、精插補模塊、編碼器計數與鑑向模塊以及I/O接口模塊。在本發明中，主站工作步驟為
(1)以廣播形式發送第一起始報文；
(2)等待從站返回應答報文；
(3)接收所有的從站報文；(4)根據返回從站報文的ID號，確定從站個數；
(5)發送第二起始報文，通知從站在整個網絡中的ID號和軸號的匹配；
(6)兩個起始報文發送完成後，表示通訊建立；
(7)通訊建立後，以0.5ms的周期廣播發送命令報文並接受應答報文；
(8)重複步驟7，如果中間任何一次發送報文之後無應答報文，通訊中斷，並報警。在本發明中，從站工作步驟
(1)通過標準乙太網網絡晶片接口模塊初始化網絡晶片，等待接收主站的第一個起始報文；
(2)所有從站都接收第一個起始報文，並返回自己的應答報文，主要返回ID號；
(3)所有從站都接收第二個起始報文，表示通訊建立；
(4)等待命令報文；
(5)接收命令報文，並發應答報文；
(6)解析報文數據，發往對應的接口模塊；
(7)根據電機執行情況，準備好應答報文；
(8)重複(4)。通過本發明，採用「一主多從」的星型架構，按照規定的通訊協議格式，可以實現在一個主站的情況下對多個從站進行控制，進而實現多軸運動控制，並且控制系統的布線簡單，較傳統的運動控制需要繁雜的信號線而言，網絡型運動控制系統只需要兩根普通網線即可完成數據收發。其次，任何帶有普通乙太網網卡的PC機均可以作為主機，結合從站即可快速構建運動控制網絡。第三，在單片FPGA實現網絡從站控制晶片的功能，有效節約了硬體成本，簡化電路結構，實現晶片的高效使用。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種運動控制終端的擴展方法，其特徵是通過採用帶有身份識別的通訊方法和「一主多從」的網絡架構實現運動控制系統的多軸擴展，提高系統的擴展性；作為主站使用帶通用網卡接口的PC機，各個從站均主要由通用乙太網晶片和基於FPGA的網絡運動控制晶片構成；主站通過交換機和乙太網把命令和數據發往從站，從站由基於FPGA的網絡運動控制晶片接收到報文數據，通過報文數據解析，確定從站的ID號，並將運動參數及命令發往各個運動控制模塊，實現電機的控制；同時在FPGA內部，通過接口實現對運動過程中的信息採集，最終以規定的數據包格式發回主站，實現整個擴展後的運動控制系統的控制。
2.根據權利要求1所述的運動控制終端的擴展方法，其特徵是所述的基於FPGA的網絡運動控制晶片主要由標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)、報文數據解析模塊(2-3)、接口模塊(2-4)和時鐘管理模塊(2-2)組成，標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)包含對乙太網網絡晶片的晶片初始化模塊、數據接收模塊和數據發送模塊；接口模塊(2-4)接收到報文數據，並將報文數據中的有效數據段送至報文數據解析模塊(2-3 )，所述報文數據解析模塊 (2-3)分別將解析出的相應參數數據發往相應模塊。
3.根據權利要求1所述的運動控制終端的擴展方法，其特徵是所述的身份識別是通過基於FPGA的網絡運動控制晶片中的初始化模塊實現的；初始化時，基於FPGA的網絡運動控制晶片中的標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)完成對DM9000A初始化的控制，使DM9000A 進入收發數據等待狀態，主站以廣播形式發送起始報文數據，所有從站都接收起始報文數據，隨之，反饋自己的應答報文數據；初始化完成後，進行數據通訊，從站通過數據報文的解析，可以得到相應的參數及命令，然後發給FPGA中相應的功能模塊，實現運動控制功能。
4.根據權利要求1所述的運動控制終端的擴展方法，其特徵是所述的主站所發的報文的格式為報文頭、數據發送區和數據返回區，報文頭包括C/R位、數值更新(Update Number)位和從站身份識別(ID)位，C/R位用來標示此數據包的來源與方向，C/R = 0表示此數據包為主站發出的命令數據(command)，C/R = 1表示此數據包為從站發送的回應數據 (response)，數值更新(Update Number)位用來區別相鄰接收到的數據包，因此設定每個通訊周期(Update Number)自動加「 1」，從站身份識別(ID)位標示了該從站在整個運動控制網絡中的唯一 ID值；數據發送區包括運動參數、工具機參數和命令位置數據；數據返回區包括實際位置數據。
5.一種終端可任意擴展的運動控制系統，它包括作為運動控制網絡主站的PC機 (1-1)、交換機(1-2)、運動控制網絡從站(1-3)、信號處理電路(1-7)和電機(1-8)，各電機 (1-8)與對應的信號處理電路(1-7)相連，信號處理電路(1-7)與對應的運動控制網絡從站(1-3)相連，各運動控制網絡從站(1-3)通過乙太網和交換機(1-2)與作為主站的PC機 (1-1)相連，其特徵是所述的運動控制網絡從站(1-3)由RJ45標準乙太網線纜接口( 1-4)、 通用乙太網晶片(1-5)和基於FPGA的運動控制晶片(1-6)組成，RJ45標準乙太網線纜接口(1-4)作為運動控制網絡從站(1-3)與主站之間的輸入輸出接口通過通用乙太網晶片 (1-5)與乙太網相連，基於FPGA的運動控制晶片(1-6)與信號處理電路(1-7)相連。
6.根據權利要求5所述的終端可任意擴展的運動控制系統，其特徵是所述的基於FPGA 的運動控制晶片(106)主要由標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)、報文數據解析模塊 (2-2)、接口模塊(2-4)和時鐘管理模塊(2-2)組成，接口模塊(2-4)分別與信號處理電路 (1-7)及報文數據解析模塊(2-2)相連，報文數據解析模塊(2-2)同時與標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)及時鐘管理模塊(2-2)相連，標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)與通用乙太網晶片(1-5)相連；標準乙太網網絡晶片接口模塊(2-1)由初始化模塊、數據發送模塊和數據接收模塊組成。
全文摘要
一種運動控制終端的擴展方法及系統，其特徵在於採用帶有身份識別的通訊方法和「一主多從」的網絡架構實現運動控制系統的多軸擴展，提高系統的擴展性。作為主站使用帶通用網卡接口的PC機，從站由通用乙太網晶片和基於FPGA的網絡運動控制晶片構成。主站通過乙太網把命令和數據按照一種通訊方法發往從站，從站由基於FPGA的網絡運動控制晶片接收到報文數據，通過報文數據解析，確定ID號，並將運動參數及命令發往各個運動控制模塊，實現電機的控制。同時在FPGA內部，通過一些接口實現對運動過程中的信息採集，最終以規定的數據包格式發回主站，實現整個系統的控制。本發明簡化了硬體電路，降低了硬體成本，提高了晶片的集成化程度。
文檔編號G05B19/418GK102393702SQ20111031097
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者廖文和, 楊文安, 郭宇 申請人:南京航空航天大學