一種基于單cpu、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，包括控制器模塊、擴(kuò)展板、顯示器、輸入模塊、光電編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器及步進(jìn)電機，伺服驅(qū)動器與擴(kuò)展板連接以接收電機控制信號從而實現(xiàn)對伺服電機的驅(qū)動控制，該伺服電機作為Z軸電機用于實現(xiàn)垂直方向即Z軸的運動控制；步進(jìn)電機包括X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機，由步進(jìn)電機驅(qū)動器控制驅(qū)動；步進(jìn)電機和伺服電機均采用脈沖頻率控制方式，光電編碼器被配置用于檢測Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，并在Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定的角度時發(fā)出響應(yīng)信號，控制器模塊基于此響應(yīng)信號發(fā)出X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機的運動控制信號，從而實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。
【專利說明】一種基于單CPU、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具體而言涉及一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]實時控制系統(tǒng)工作過程中由于既有圖形顯示、操作控制等人機界面，又要有數(shù)據(jù)處理、很強的實時控制等功能，在設(shè)計時要充分考慮系統(tǒng)的整體性能，保證系統(tǒng)的實時性，才能滿足系統(tǒng)的控制要求。目前市場上一般實時控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法有兩種:單處理器+實時操作系統(tǒng)或雙處理器+非實時操作系統(tǒng)。
[0003]單處理器方案選用處理能力較強的微處理器、嵌入式實時操作系統(tǒng)(VxWorks等)，系統(tǒng)的實時性由操作系統(tǒng)來保證。由于處理器能力較強，將實時控制部分和人機界面、信息處理部分放在一起仍可以保證很好的實時性。
[0004]雙處理器方案把實時控制部分和信息處理部分分開，實時控制部分由單片機(51系列等)實現(xiàn)，人機界面及信息處理及顯示由性能稍強的微處理器(ARM9等)完成，微處理器與單片機之間一般采用串口通信交換數(shù)據(jù)。
[0005]該【技術(shù)領(lǐng)域】存在的問題和缺陷:
[0006]1、雙處理器方案的優(yōu)點是單片機控制實時性強，可以做到較高的控制實時性，缺點是增加了系統(tǒng)的可靠性風(fēng)險，增加軟件的復(fù)雜度和硬件成本。一方面上下位機軟件需要制定嚴(yán)格的協(xié)議，才能保證兩者可以協(xié)調(diào)工作；另一方面由于實時控制系統(tǒng)中電機啟動時電磁干擾非常大，對上下位機的串口通信會產(chǎn)生不利影響，一旦通信出錯將報廢加工的產(chǎn)品，甚至產(chǎn)生更嚴(yán)重的安全風(fēng)險，硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都需要增加抗干擾措施。
[0007]2、采用實時操作系統(tǒng)的單處理器方案能保證實時性，但實時操作系統(tǒng)軟件都需要付費購買，項目前期費用投入較大，有較大的研發(fā)風(fēng)險，且付費軟件提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低了產(chǎn)品在市場中的競爭力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的在于提供一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，在簡化硬件設(shè)計的同時，支持開源免費的操作系統(tǒng)，且可實現(xiàn)微秒級的控制精度。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，包括控制器模塊、擴(kuò)展板、顯示器、輸入模塊、光電編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器及步進(jìn)電機，其中:
[0011]所述顯示器和輸入模塊均與控制器模塊連接，用于實現(xiàn)人機交互；
[0012]所述控制器模塊通過擴(kuò)展總線與所述擴(kuò)展板連接，用于實現(xiàn)控制信號的輸入輸出；
[0013]所述伺服驅(qū)動器與擴(kuò)展板連接以接收電機控制信號從而實現(xiàn)對伺服電機的驅(qū)動控制，該伺服電機作為Z軸電機用于實現(xiàn)垂直方向即Z軸的運動控制；
[0014]所述步進(jìn)電機包括X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機，所述步進(jìn)電機驅(qū)動器分兩路通過所述擴(kuò)展板傳輸?shù)目刂菩盘柌⒎謩e用于驅(qū)動所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機；
[0015]所述步進(jìn)電機和伺服電機均采用脈沖頻率控制方式，所述光電編碼器被配置用于檢測Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，并在Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定的角度時發(fā)出響應(yīng)信號，所述控制器模塊基于此響應(yīng)信號發(fā)出所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機的運動控制信號，從而實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。
[0016]進(jìn)一步的實施例中，所述控制器模塊采用S3C2440微處理器，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，該微處理器具有4個定時器，在實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制時，采用其中的三個定時器分別產(chǎn)生定時中斷，并通過擴(kuò)展板的I/O接口輸出可變脈沖頻率，從而分別控制X軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機和Z軸伺服電機。
[0017]進(jìn)一步的實施例中，所述三個定時器的計數(shù)頻率設(shè)定為1MHz。
[0018]進(jìn)一步的實施例中，所述擴(kuò)展板采用可編程邏輯器件CPLD芯片實現(xiàn)，CPLD芯片與控制器模塊的擴(kuò)展總線相連，所述光電編碼器的脈沖信號輸入CPLD芯片，在CPLD芯片中實現(xiàn)計數(shù)。
[0019]進(jìn)一步的實施例中，所述顯示器為一 IXD或LED顯示器。
[0020]由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于采用單處理器(ARM9)和非實時操作系統(tǒng)(Linux)來實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)微秒的控制精度(輸出脈沖寬度)。
[0021]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案中，在簡化硬件設(shè)計的同時，系統(tǒng)的可靠性較好；而且由于采用了開源、免費的操作系統(tǒng)軟件，最終可以節(jié)約產(chǎn)品的開發(fā)成本和生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品能夠在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明一實施方式基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

【具體實施方式】
[0023]為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0024]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的較優(yōu)實施例，一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，包括控制器模塊、擴(kuò)展板、顯示器、輸入模塊、光電編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器及步進(jìn)電機，其中:
[0025]所述顯示器和輸入模塊均與控制器模塊連接，用于實現(xiàn)人機交互；
[0026]所述控制器模塊通過擴(kuò)展總線與所述擴(kuò)展板連接，用于實現(xiàn)控制信號的輸入輸出；
[0027]所述伺服驅(qū)動器與擴(kuò)展板連接以接收電機控制信號從而實現(xiàn)對伺服電機的驅(qū)動控制，該伺服電機作為Z軸電機用于實現(xiàn)垂直方向即Z軸的運動控制；
[0028]所述步進(jìn)電機包括X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機，所述步進(jìn)電機驅(qū)動器分兩路通過所述擴(kuò)展板傳輸?shù)目刂菩盘柌⒎謩e用于驅(qū)動所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機；
[0029]所述步進(jìn)電機和伺服電機均采用脈沖頻率控制方式，所述光電編碼器被配置用于檢測Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，并在Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定的角度時發(fā)出響應(yīng)信號，所述控制器模塊基于此響應(yīng)信號發(fā)出所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機的運動控制信號，從而實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。
[0030]作為優(yōu)選的實施方式，本實施例中，前述控制器模塊采用S3C2440微處理器來實現(xiàn)，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，該微處理器具有4個定時器，在實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制時，采用其中的三個定時器分別產(chǎn)生定時中斷，并通過擴(kuò)展板的I/O接口輸出可變脈沖頻率，從而分別控制X軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機和Z軸伺服電機。
[0031]該S3C2440微處理器為三星公司的ARM902T處理器，運算處理功能強，并且具有總線擴(kuò)展功能。本實施例中，通過擴(kuò)展板與控制模塊的擴(kuò)展總線相連，實現(xiàn)控制器模塊與外部控制設(shè)備的連接，包括電機驅(qū)動器(步進(jìn)電機驅(qū)動器和伺服驅(qū)動器)和光電編碼器，并且所有輸入輸出信號均使用光電耦合器隔離，提高了抗干擾能力，保證信號在惡劣環(huán)境下的可靠傳輸。
[0032]本實施例中，垂直方向的運動控制通過伺服電機和伺服驅(qū)動器來實現(xiàn)，水平方向的運動控制采用步進(jìn)電機，尤其是細(xì)分步進(jìn)電機來實現(xiàn)。
[0033]本實施例中所采用的的三個電機均采用脈沖頻率控制。
[0034]前述光電編碼器用來檢測Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，并在Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定的角度時發(fā)出響應(yīng)信號，所述控制器模塊基于此響應(yīng)信號發(fā)出所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機的運動控制信號，從而實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。即當(dāng)Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)先設(shè)定的角度時再啟動水平方向的電機運動。
[0035]本實施例，水平方向的運動精度可控制在0.1毫米，即步進(jìn)電機的一步運動的距離，步進(jìn)電機的任何丟步或過沖都會產(chǎn)生累計誤差，使圖案變形，因此優(yōu)選地在Z軸高速運轉(zhuǎn)(1000轉(zhuǎn)/分鐘)的情況下，水平方向(X、Y軸)的運動快速平穩(wěn)地運動到位。
[0036]為保證系統(tǒng)的控制精度，本實施例中將前述的三個定時器的計數(shù)頻率設(shè)定為IMHz,即定時精度可以達(dá)到lus，且定時器均設(shè)置為自動裝載模式。
[0037]如前所述，本實施例采用的控制器模塊選用的是三星公司的S3C2440微處理器(ARM920T內(nèi)核、主頻400MHz)，作為核心處理器，并選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。該處理器具有4個硬件定時器，而Linux操作系統(tǒng)本身需要用到一個定時器，本實施例利用處理器內(nèi)部的其余三個硬件定時器TimerO，1，2分別產(chǎn)生定時中斷，中斷程序中在擴(kuò)展板的I/O管腳輸出可變脈沖頻率，分別控制系統(tǒng)的X、Y向步進(jìn)電機驅(qū)動器和主軸Z伺服電機驅(qū)動器，使其協(xié)調(diào)運動完成加工過程。由于使用硬件定時器中斷，可以很好地保證系統(tǒng)控制的實時性。
[0038]作為優(yōu)選的實施方式，前述擴(kuò)展板采用可編程邏輯器件CPLD芯片實現(xiàn)，CPLD芯片與控制器模塊的擴(kuò)展總線相連，實現(xiàn)所有需要的輸入輸出信號擴(kuò)展；所述光電編碼器的脈沖信號輸入CPLD芯片，在CPLD芯片中實現(xiàn)計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到規(guī)定的數(shù)值時(也就是Z軸轉(zhuǎn)動到設(shè)定角度)，產(chǎn)生硬件中斷信號，作為水平方電機運動的起始時刻。
[0039]在可選的實施例中，前述顯示器為一 IXD或LED顯示器，例如10.4英寸彩色TFTIXD，分辨率為1024X768，具有很好的圖形顯示效果，人機界面友好。
[0040]在可選的實施例中，前述輸入模塊包括一輸入鍵盤以及多個控制按鈕。在另選的實施例中，輸入裝置還可以是一個觸摸式或按壓式輸入面板。
[0041]如圖1所示，本實施例提出的系統(tǒng)中各部件由一電源提供電壓供應(yīng)，作為一個可選的實施方式，該電源由電源板、信號轉(zhuǎn)接板、隔離變壓器、空氣開關(guān)、保險絲及配線架等組成。信號轉(zhuǎn)接板用于信號線的轉(zhuǎn)接，使系統(tǒng)的電纜線整齊統(tǒng)一。隔離變壓器、空氣開關(guān)、保險絲及配線架等都為電氣安全考慮，確保系統(tǒng)使用中不發(fā)生人身安全事故。
[0042]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，其特征在于，包括控制器模塊、擴(kuò)展板、顯示器、輸入模塊、光電編碼器、伺服驅(qū)動器及伺服電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器及步進(jìn)電機，其中: 所述顯示器和輸入模塊均與控制器模塊連接，用于實現(xiàn)人機交互； 所述控制器模塊通過擴(kuò)展總線與所述擴(kuò)展板連接，用于實現(xiàn)控制信號的輸入輸出； 所述伺服驅(qū)動器與擴(kuò)展板連接以接收電機控制信號從而實現(xiàn)對伺服電機的驅(qū)動控制，該伺服電機作為Z軸電機用于實現(xiàn)垂直方向即Z軸的運動控制； 所述步進(jìn)電機包括X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機，所述步進(jìn)電機驅(qū)動器分兩路通過所述擴(kuò)展板傳輸?shù)目刂菩盘柌⒎謩e用于驅(qū)動所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機； 所述步進(jìn)電機和伺服電機均采用脈沖頻率控制方式，所述光電編碼器被配置用于檢測Z軸的旋轉(zhuǎn)角度，并在Z軸轉(zhuǎn)動到預(yù)定的角度時發(fā)出響應(yīng)信號，所述控制器模塊基于此響應(yīng)信號發(fā)出所述X軸步進(jìn)電機和Y軸步進(jìn)電機的運動控制信號，從而實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器模塊采用S3C2440微處理器，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，該微處理器具有4個定時器，在實現(xiàn)X軸、Y軸以及Z軸的運動控制時，采用其中的三個定時器分別產(chǎn)生定時中斷，并通過擴(kuò)展板的I/O接口輸出可變脈沖頻率，從而分別控制X軸步進(jìn)電機、Y軸步進(jìn)電機和Z軸伺服電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，其特征在于，所述三個定時器的計數(shù)頻率設(shè)定為1MHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)展板采用可編程邏輯器件CPLD芯片實現(xiàn)，CPLD芯片與控制器模塊的擴(kuò)展總線相連，所述光電編碼器的脈沖信號輸入CPLD芯片，在CPLD芯片中實現(xiàn)計數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單處理器、非實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)，其特征在于，所述顯不器為一 IXD或LED顯不器。
【文檔編號】G05B19/042GK104281080SQ201410567375
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】陸信如, 何軍, 陳耀忠, 楊歡, 邵凝寧, 楊華 申請人:北方信息控制集團(tuán)有限公司