用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統及其控制方法
2023-07-18 09:20:06
專利名稱：用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明屬於紙箱製造自動控制技術領域，尤其涉及用於控制工具機完成紙箱打樣的 嵌入式控制系統及其控制方法。
背景技術：
在紙箱打樣控制系統當中，運動控制器起著像人體大腦一樣的作用，其性能的高 低很大程度上影響到紙箱打樣效果的好壞，而目前紙箱的多樣化使得需要處理的圖形越來 越複雜，難度越來越大。因此，提升控制系統的性能同時降低其價格是關鍵。在運動控制器 的發展過程中，出現了以單片機、專用晶片(ASIC)、DSP和FPGA為核心處理器的運動控制平 臺，其中當前市場上主要的運動控制器是基於「PC十運動控制卡」的運動控制器，通過將PC 機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制卡的運動軌跡控制能力有機地結合在一起。 但是這種方式在結構和性能上都存在很大的局限性
第一，運動控制卡不能脫離計算機總線，需要插入計算機主板的PCI或者ISA插槽，因 此每個具體應用都必須配置一臺PC機作為上位機，這無疑對設備的體積、成本和運行環境 都有一定的限制，難以獨立運行和小型化。第二，由於採用的是通用的工業PC機平臺，硬體不可裁剪，對於很多場合，PC機 上的許多功能都沒有用到，而用戶仍然要付出該成本。由於無法針對運動控制系統的特點 來對系統軟、硬體進行裁剪，因此採用通用的工業PC機不能很好地搭建嵌入式運動控制平臺。
發明內容
針對上述紙箱製造過程中控制系統的不足，本發明提供一種用於紙箱打樣機的嵌 入式控制系統，該控制系統體積小、硬體成本低，系統運行的實時性和穩定性高，可靠性與 擴展性好，系統功耗低，適應了機電產品對嵌入式控制系統的發展需要。本發明的另一目的是提供一種上述用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統的控制方法。本發明的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統包括通過數據總線與控制總線相連 接的嵌入式微處理器模塊和運動控制模塊。所述微處理器模塊以ARM+DSP雙核CPU晶片0MAP-L138為核心。所述OMAP-L138的DSP內核為浮點型DSP。所述0MAP-L138內部本身共享U8KB RAM。所述運動控制模塊以FPGA精插補運動控制模塊進行脈衝輸出控制，其分別連接X 軸伺服驅動器、Y軸伺服驅動器、Z軸伺服驅動器和U軸伺服驅動器，所述各軸的驅動器分 別連接各軸的運動部件，其中，X軸運動部件與Y軸運動部件一起控制平面內刀片的位置， Z軸運動部件控制刀片的切入深度，U軸運動部件控制刀片的方向；還連接有用來控制刀片 的上下振動的驅動電路和直流電機。
所述FPGA作為DSP的外設，利用總線通過EMIF接口與之相連接，FPGA內部同時 設計兩個128*16位的雙口 RAM，採用PING-PONG結構進行數據接收。本發明還包括與嵌入式微處理器模塊連接的相應外圍模塊FLASH存儲器、SDRAM 存儲器、液晶顯示接口、輸入輸出接口、乙太網接口、USB接口、SATA接口和串行接口。所述FLASH存儲器為NAND Flash存儲器，其採用兩片K9K2G08U1A，共512MB，用於 存儲存放系統運行程序、系統參數及運動指令程序。所述SDRAM存儲器採用兩片ffl~48LC16M16A2P-75，共64MB，用於存放臨時數據和
運行應用程式。本發明提供的控制方法，包括以下步驟
1)輸入待加工的紙箱圖形DXF文件、HPGL文件或者G代碼加工文件後，由0MAP-L138 的ARM核模塊進行圖形輪廓識別、軌跡規劃、速度預處理或加工代碼轉換；
2)通過0MAP-L138內部的共享RAM將數據共享給0MAP-L138的DSP核模塊進行粗插補
運算；
3)通過總線將粗插補數據傳輸給編程好的FPGA進行精插補，同時輸出控制給步進或 伺服系統去控制執行部件的動作，從而完成特定紙箱圖形的裁剪。本發明的基於0MAP-L138雙核晶片和FPGA晶片的嵌入式紙箱打樣控制系統，其硬 件成本較低，同時採用多任務實時作業系統Windows CE，其與桌面Windows系統非常相似， 上層軟體開發思路一致，因此軟體開發比較容易。本發明的嵌入式紙箱打樣控制系統是一 種可以脫離上位機單獨運行的，用於紙箱打樣處理的專門控制系統。由於大量的圖形信息 需要直觀的模擬加工顯示，採用Windows CE嵌入式作業系統可以方便地利用其本身的圖形 用戶界面去處理模擬加工，效果明顯，開發效率也高。本發明體積小、硬體成本低，系統運行的實時性和穩定性高，可靠性與擴展性好， 系統功耗低，適應了機電產品對嵌入式控制系統的發展需要。
圖1為本發明硬體結構示意圖2為0MAP-L138主控板的功能模塊圖； 圖3為FPGA功能模塊圖； 圖4為本發明程序處理流程框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步的說明。如圖1所示，硬體結構包括0MAP-L138主晶片及其周圍外設以及FPGA的脈衝輸出 控制與I/O控制。如圖2所示，所述0MAP-L138主晶片周圍外設包括NAND Flash存儲器、SDRAM存 儲器、RJ45乙太網接口、IXD、實時時鐘、20M晶振、JTAG接口、並行接口、USB接口、I/O擴展等。主控板以嵌入式處理器0MAP-L138為核心，其集成了 ARM9和DSP內核於一體。處 理器0MAP-L138的ARM部分主要任務是實現紙箱圖形數據處理、紙箱數控加工代碼的轉換和編譯、軌跡規劃、速度預處理計算、人機界面等任務，DSP部分主要負責粗插補的大量運算 以及完成處理數據的傳遞。外部NAND Flash存儲器採用兩片K9K2G08U1A (256MB)，共512MB，用於存儲存放系 統運行程序、系統參數及運動指令程序，可模擬為U盤與PC機進行文件交換；SDRAM存儲器 採用兩片Μ48ΙΧ16Μ16Α2Ρ-75(32ΜΒ)，共64MB，用於存放臨時數據和運行應用程式。通過串口、並口、乙太網接口、USB接口與上位機系統或其它控制器通信，實現兩者 之間數據的傳送，同時也實現程序的調試連接。通過IXD接口，實現驅動5寸的液晶觸控螢幕模塊，提供友好的人機互動界面。通過I/O擴展接口，提供了可編程的數字I/O通道。通過SATA接口，可以連接海量硬碟存儲，可以用作紙箱加工圖形文檔的保存，以 便後續的管理查找。0MAP-L138的DSP模塊根據收到ARM模塊對紙箱圖形預處理的數據，進行速度、直 線加/減速和S曲線加/減速等處理，完成2軸/3軸直線粗插補、2軸圓弧粗插補，並通過 總線將其傳給FPGA。通過USB、網絡及串行接口與PC機通信，完成Windows CE內核的下載以及實現應 用程序的調試及下載，系統軟體升級方便。如圖3所示，FPGA精插補運動控制模塊以Xilinx公司的Spartan_3E系列500K門 的)(C3S500E作為控制的核心，採用串行外設接口模式配置FPGA，配置晶片選擇ATMEL公司 的串行Flash晶片AT4OTB。FPGA晶片)(C3S500E採用的是SDRAM工藝，因此需要通過非易 失性數據存儲晶片來存儲配置文件對其進行配置。通過選定軟體編程實用工具XSPI，編寫 相應的配置文件，由USB或者串口進行文件的下載。採用數字積分插補法在FPGA晶片中實 現硬體插補算法的編寫。根據數字積分插補原理，設計將插補器分為緩衝器模塊、時序發生 器模塊、積分器模塊、脈衝雙向計數器模塊以及脈衝的輸出模塊。負責處理一些實時性強的 I/O信號，如急停、原點、限位等信號的檢測。通過對0MAP-L138完成以上硬體的配置，接著需要完成相應軟體的編寫。首先，軟體平臺的搭建。在0MAP-L138的ARM子系統中，根據具體的外設配置和提 供的外設驅動，修改或編寫適合本系統的Windows CE驅動，然後編譯與之相應的Windows CE內核，生成映像文件，通過USB下載到ARM子系統中。在0MAP-L138的DSP子系統中，採 用無作業系統架構。在DSP中搭建好程序架構之後，採用時間分割法，編寫兩軸直線插補、3 軸直線插補以及圓弧插補等粗插補算法。為了能夠使ARM子系統能夠與DSP子系統進行數據的交互，硬體上可以採用 0MAP-L138內部本身共享的U8KBRAM，但軟體上需要制定和編寫合適的數據通訊協議。在 RAM中，使用指針操作方式，構成循環讀寫存儲空間，用於存儲ARM傳遞給DSP的圖形處理信 息以及DSP反饋給ARM的狀態信息。FPGA則當作是DSP的外設，利用總線通過EMIF接口與之相連接。FPGA內部同時 設計兩個128*16位的雙口 RAM，採用PING-PONG結構進行數據接收。通過FPGA內的控制邏 輯，DSP輪流對這兩個存儲區進行寫操作。在同一時刻不能對同一個存儲區進行讀和寫的 操作。數據接收之後，通過FPGA內部設計的精插補器進行插補運算，最後輸出各軸控制脈 衝。同時，由FPGA內部的其餘I/O模塊處理相應的I/O信息。
在應用軟體設計方面，為了增強軟體的可移植性和實現跨平臺開發，所以採用了 與桌面系統非常相似的Windows CE平臺。根據ARM子系統與DSP子系統之間制定的數據交 互協議，編寫響應的運動控制API函數庫。本發明所設計的運動控制函數庫為單軸及多軸 的步進或伺服控制提供了許多運動控制函數，如單軸驅動、兩軸直線插補、3軸直線插補、 圓弧插補等等。另外，為了配合運動控制系統的開發，還編寫了一些輔助函數，如中斷處 理、間隙補償、通用開關量的輸入輸出等。通過調用API函數的方式可直接與DSP進行通訊， 這樣，用戶在開發應用程式時，只需根據紙箱打樣機工藝的具體要求編制人機界面，並調用 運動控制函數庫中的函數，從而完成不同紙箱類型的打樣。本發明的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統的的控制過程如圖4所示，待加工的 紙箱圖形信息有兩種形式，一種是在PC機上由專門製圖軟體生成的圖形文件，如DXF格式 文件、HPGL格式文件，另一種是直接在IXD觸控螢幕上輸入的G代碼加工文件。同時，由PC生 成的待加工文件通過串口、乙太網或者USB接口進行傳輸，而IXD界面輸入的G代碼加工文 件直接點擊保存即可。由於DXF或HPGL格式文件與G代碼的信息結構不一樣，因此處理的流程也不一 致。DXF或HPGL格式文件首先需要進行輪廓的識別，然後對加工軌跡進行規劃，接著速度預 處理，完成粗插補計算，而G代碼由於是根據圖形具體工藝進行編寫的，因此只需要對其進 行編譯解釋之後，就能進行速度處理及粗插補計算。通過0MAP-L138中DSP的粗插補運算 之後，由總線將數據發送到FPGA的數據緩衝區模塊，然後通過FPGA內部設計的精插補模塊 進行精插補運算，得出每個軸的速度、位置控制。最後由FPGA的脈衝發送模塊將相應的脈 衝輸出，完成對步進電機或者伺服電機的控制，實時控制電機的運動。該控制系統結合了紙箱打樣的具體工藝要求，控制刀片在X、Y平面運動的同時， 同時控制C軸改變刀片的刀刃方向，確保刀刃方向與圖形線條的切線方向一致。此外，也控 制另外一個直流電機，使得刀片根據紙質的不同，保持特定的頻率上下振動。本發明用於紙箱打樣的嵌入式控制系統是一個可以脫離PC獨立運行的運動控制 系統。在實際運用時，用戶可以根據具體的需求，通過網絡、USB或串口將PC繪製的紙箱圖 形文件傳輸到控制系統平臺，或者直接利用人機界面編寫G代碼紙箱加工指令，控制器就 可以根據具體輸入的加工文件作出相應的處理，從而完成電機的控制。本發明是一個可以脫離PC獨立運行的運動控制系統。在實際運用時，用戶可以根 據具體的需求，通過網絡、USB或串口將PC繪製的紙箱圖形文件傳輸到控制系統平臺，或者 直接利用人機界面編寫G代碼紙箱加工指令，控制器就可以根據具體輸入的加工文件作出 相應的處理，從而完成電機的控制。本發明體積小、硬體成本低，系統運行的實時性和穩定性高，可靠性與擴展性好， 系統功耗低，適應了機電產品對嵌入式控制系統的發展需要。
權利要求
1.用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，包括通過數據總線與控制總線相連接的嵌入式 微處理器模塊和運動控制模塊。
2.根據權利要求1所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述微處 理器模塊以ARM+DSP雙核CPU晶片0MAP-L138為核心。
3.根據權利要求2所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述 OMAP-L138的DSP內核為浮點型DSP。
4.根據權利要求3所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述 OMAP-L138內部本身共享U8KB RAM。
5.根據權利要求1所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述運動 控制模塊以FPGA精插補運動控制模塊進行脈衝輸出控制，其分別連接X軸伺服驅動器、Y軸 伺服驅動器、Z軸伺服驅動器和U軸伺服驅動器，所述各軸的驅動器分別連接各軸的運動部 件，其中，X軸運動部件與Y軸運動部件一起控制平面內刀片的位置，Z軸運動部件控制刀片 的切入深度，U軸運動部件控制刀片的方向；還連接有用來控制刀片的上下振動的驅動電 路和直流電機。
6.根據權利要求5所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述FPGA 作為DSP的外設，利用總線通過EMIF接口與之相連接，FPGA內部同時設計兩個128*16位 的雙口 RAM，採用PING-PONG結構進行數據接收。
7.根據權利要求1所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於還包括與 嵌入式微處理器模塊連接的相應外圍模塊FLASH存儲器、SDRAM存儲器、液晶顯示接口、輸 入輸出接口、乙太網接口、USB接口、SATA接口和串行接口。
8.根據權利要求7所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述FLASH 存儲器為NAND Flash存儲器，其採用兩片K9K2G08U1A，共512MB，用於存儲存放系統運行程 序、系統參數及運動指令程序。
9.根據權利要求7所述的用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統，其特徵在於所述SDRAM 存儲器採用兩片Μ48ΙΧ16Μ16Α2Ρ-75，共64MB，用於存放臨時數據和運行應用程式。
10.用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統的控制方法，包括以下步驟1)輸入待加工的紙箱圖形DXF文件、HPGL文件或者G代碼加工文件後，由0MAP-L138 的ARM核模塊進行圖形輪廓識別、軌跡規劃、速度預處理或加工代碼轉換；2)通過0MAP-L138內部的共享RAM將數據共享給0MAP-L138的DSP核模塊進行粗插補 運算；3)通過總線將粗插補數據傳輸給編程好的FPGA進行精插補，同時輸出控制給步進或 伺服系統去控制執行部件的動作，從而完成特定紙箱圖形的裁剪。
全文摘要
本發明提供一種用於紙箱打樣機的嵌入式控制系統及其控制方法，該控制系統包括通過數據總線與控制總線相連接的嵌入式微處理器模塊和運動控制模塊。微處理器模塊以雙核CPU晶片為核心。運動控制模塊以精插補運動控制模塊進行脈衝輸出控制。本發明提供的控制方法，包括以下步驟1)輸入待加工的圖形文件或者代碼加工文件後，進行圖形輪廓識別、軌跡規劃、速度預處理或加工代碼轉換；2)進行粗插補運算；3)進行精插補，同時輸出控制給步進或伺服系統去控制執行部件的動作，從而完成特定紙箱圖形的裁剪。本發明體積小、硬體成本低，系統運行的實時性和穩定性高，可靠性與擴展性好，系統功耗低，適應了機電產品對嵌入式控制系統的發展需要。
文檔編號G05B19/414GK102122149SQ20101059597
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者劉建群, 吳積榮, 徐東, 段宏, 陳新度 申請人:廣東工業大學