CN104808582A - 一种基于fpga的嵌入式数字控制器及其控制方法 - Google Patents

一种基于fpga的嵌入式数字控制器及其控制方法 Download PDF

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郑志航
吴黎明
钟健雄
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的嵌入式数字控制器及其控制方法，包括嵌入式多核控制***(1)、信号检测模块(2)、视觉跟踪模块(3)、脉冲输出光电隔离模块(4)、模拟控制模块(5)，信号检测模块(2)的输出端及视觉跟踪模块(3)的输出端分别与嵌入式多核控制***(1)的输入端连接，嵌入式多核控制***(1)的输出端分别与脉冲输出光电隔离模块(4)的输入端及模拟控制模块(5)的输入端连接，脉冲输出光电隔离模块(4)的输出端与伺服驱动器连接，模拟控制模块(5)的输出端与气泵连接。本发明嵌入式多核控制***负责机床运动控制，加工过程中通过视觉跟踪模块测量加工轨迹误差进行在线补偿控制，有效地提高数控加工精度，保证加工质量。本发明的控制方法简单方便。

Description

一种基于FPGA的嵌入式数字控制器及其控制方法
技术领域
 本发明属于数控***领域，具体是一种基于FPGA的嵌入式数字控制器及其控制方法，属于基于FPGA的嵌入式数字控制器及其控制方法的创新技术。
背景技术
随着用户对数控加工精度要求的提高，以及机器视觉技术在工业领域应用的成熟，使用机器视觉跟踪加工，测量轨迹加工误差，进行在线误差补偿控制的方式正成为提高数控加工精度一种新手段。然而以工业PC机为控制核心的数控***，其硬件不是针对实时控制设计的，并不能较好地满足实时控制需要，也不能实现在线误差补偿控制。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于FPGA的嵌入式数字控制器，该控制器能够实现加工过程中通过机器视觉跟踪测量加工轨迹误差进行在线补偿控制，有效地提高数控加工精度，保证加工质量。
本发明的另一目的是提供一种基于FPGA的嵌入式数字控制器的控制方法。本发明控制简单方便。
本发明的目的通过采用以下的技术方案来实现：
本发明的基于FPGA的嵌入式数字控制器，包括嵌入式多核控制***、信号检测模块、视觉跟踪模块、脉冲输出光电隔离模块、模拟控制模块，信号检测模块的输出端及视觉跟踪模块的输出端分别与嵌入式多核控制***的输入端连接，嵌入式多核控制***的输出端分别与脉冲输出光电隔离模块的输入端及模拟控制模块的输入端连接，脉冲输出光电隔离模块的输出端与伺服驱动器连接，伺服驱动器驱动伺服电机，模拟控制模块的输出端与气泵连接。
本发明基于FPGA的嵌入式数字控制器的控制方法，包括如下过程：
1）***上电后，由嵌入式多核控制***通过脉冲输出光电隔离模块向伺服驱动器输出插补脉冲控制机床的X，Y轴回原位运动，并通过信号检测模块输入原位信号到32位RISC软核处理器，直到机床的X轴、Y轴移动到原点位置；
2）视觉跟踪模块通过摄像头获取实时加工轨迹视频，视频解码器在完成加工轨迹视频信号模数转换以及RGB、场信号、行信号的分离后通过I2C总线将视频数据送到数据传输接口，然后再将视频数据送到嵌入式多核控制***内的第一IP核；
3）嵌入式多核控制***内的第一IP核获取视觉跟踪模块传输进来的数据后进行加工轨迹图像处理及加工轨迹误差计算，所得误差传给32位RISC软核处理器，32位RISC软核处理器对预加工轨迹进行补偿后向第二IP核发送预加工轨迹数据，第二IP核负责预加工轨迹数据插补脉冲生成，并经过脉冲输出光电隔离模块4输出插补脉冲；
4）嵌入式多核控制***内的32位RISC软核处理器产生模拟PWM信号，经过滤波放大电路输出到电磁阀实现电磁阀的比例控制；
5）加工过程中，嵌入式多核控制***内的32位RISC软核处理器实时检测信号检测模块输入的限位信号，当机床X轴、Y轴运动超出规定的行程时，限位信号输出高电平，此时32位RISC软核处理器向第二IP核发出停止加工轨迹插补脉冲输出的指令。
与现有技术相比，本发明的技术方案的有益效果是：
1)本发明配有视觉跟踪模块，能够对轨迹加工误差进行在线补偿控制，有效提高加工的精度，保证加工质量；
2)本发明的嵌入式多核控制***采用FPGA芯片，其内在的并行机制决定了它的高速处理能力远远优于传统工控PC机所采用的串行执行架构。因而能大大提高数控***的响应速度，在保证加工质量的前提下，提高加工效率。
3）本发明将满足软硬件可裁剪、实时性强等要求的嵌入式技术与数控***相结合，产生嵌入式数控***，有效地提高数控加工精度，保证加工质量；
4）本发明的基于FPGA的嵌入式数字控制器的控制方法控制简单方便。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的嵌入式数字控制器的***框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明,附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，本发明的基于FPGA的嵌入式数字控制器，包括嵌入式多核控制***1、信号检测模块2、视觉跟踪模块3、脉冲输出光电隔离模块4、模拟控制模块5，信号检测模块2的输出端及视觉跟踪模块3的输出端分别与嵌入式多核控制***1的输入端连接，嵌入式多核控制***1的输出端分别与脉冲输出光电隔离模块4的输入端及模拟控制模块5的输入端连接，脉冲输出光电隔离模块4的输出端与伺服驱动器连接，伺服驱动器驱动伺服电机，模拟控制模块5的输出端与气泵连接。
本实施例中，嵌入式多核控制***1采用Xilinx FPGA XC4VFX12芯片，包括通过Xilinx xps 开发平台定制的嵌入在FPGA XC4VFX12中的32位RISC软核处理器11，以及通过Verilog HDL 设计而成第一IP核12和第二IP核13。其中32位RISC软核处理器11负责***任务管理调度，以及检测信号检测模块2所输入的信号和向模拟控制模块5输出PWM信号，第一IP核12负责视觉跟踪模块3所输入的加工轨迹图像处理及加工轨迹误差计算，第二IP核13负责生成加工轨迹插补脉冲，第一IP核12的输出端与32位RISC软核处理器11输入端连接，32位RISC软核处理器11输出端与第二IP核13的输入端连接。Xilinx FPGA XC4VFX12芯片支持6路TTL电平信号输入，10路0~9000Hz 方波信号输出，1路PWM信号输出以及1路视频信号输入。
本实施例中，上述信号检测模块2包括有霍尔开关21及光电隔离电路22 ,霍尔开关21输出端与光电隔离电路22的输入端连接，光电隔离电路22的输出端与嵌入式多核控制***1的输入端连接。
本实施例中，上述霍尔开关21由6个霍尔传感器组成，分别用于机床X轴、Y轴4路限位信号以及X轴、Y轴两路原位信号的检测，光电隔离电路22输出6路TTL电平信号到32位RISC软核处理器11，光电隔离电路22由3片TLP521-2芯片组成。
本实施例中，上述视觉跟踪3包括摄像头31、视频解码器32、数据传输接口33，其中摄像头31的输出端与视频解码器32的输入端连接，视频解码器32的输出端与数据传输接口33的输入端连接，数据传输接口33的输出端与嵌入式多核控制***1的输入端连接。
本实施例中，上述摄像头31为一般模拟摄像头，用于获取实时加工轨迹视频，视频解码32采用ADV7181C芯片，用于完成加工轨迹视频信号模数转换以及RGB、场信号、行信号的分离，数据传输接口33采用VK3366芯片，VK3366芯片的主接口为I2C接口。
本实施例中，上述脉冲输出光电隔离模块4由10片6N136芯片组成，光电隔离模块4的输出端可同时输出10路频率为0~9000Hz的脉冲信号到伺服驱动器。
本实施例中，上述模拟控制模块5包括滤波放大电路51、电磁阀52，其中滤波放大电路51的输出端与电磁阀52的输入端连接，电磁阀52的输出端与气泵连接。
本实施例中，上述滤波放大电路51采用运算放大器。上述滤波放大电路51采用LM2904运算放大器，电磁阀52输入模拟电压范围为0~ 12V。
本发明基于FPGA的嵌入式数字控制器的工作过程如下：
1、***上电后，由嵌入式多核控制***1通过脉冲输出光电隔离模块4向伺服驱动器输出插补脉冲控制机床的X，Y轴回原位运动，并通过信号检测模块(2)输入原位信号到32位RISC软核处理器11，直到机床的X轴、Y轴移动到原点位置。
2、视觉跟踪模块3通过摄像头31获取实时加工轨迹视频，视频解码器32在完成加工轨迹视频信号模数转换以及RGB、场信号、行信号的分离后通过I2C总线将视频数据送到数据传输接口33，然后再将视频数据送到嵌入式多核控制***1内的第一IP核12；
3、嵌入式多核控制***1内的第一IP核12获取视觉跟踪模块传输进来的数据后进行加工轨迹图像处理及加工轨迹误差计算，所得误差传给32位RISC软核处理器11，32位RISC软核处理器11对预加工轨迹进行补偿后向第二IP核13发送预加工轨迹数据，第二IP核13负责预加工轨迹数据插补脉冲生成，并经过脉冲输出光电隔离模块4输出插补脉冲；
4、嵌入式多核控制***1内的32位RISC软核处理器11通过算法产生模拟PWM信号，经过滤波放大电路51输出到电磁阀52实现电磁阀的比例控制；
5、加工过程中，嵌入式多核控制***1内的32位RISC软核处理器11实时检测信号检测模块2输入的限位信号，当机床X轴、Y轴运动超出规定的行程时，限位信号输出高电平，此时32位RISC软核处理器11向第二IP核13发出停止加工轨迹插补脉冲输出的指令。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的嵌入式数字控制器，包括嵌入式多核控制***(1)、信号检测模块(2)、视觉跟踪模块(3)、脉冲输出光电隔离模块(4)、模拟控制模块(5)，信号检测模块(2)的输出端及视觉跟踪模块(3)的输出端分别与嵌入式多核控制***(1)的输入端连接，嵌入式多核控制***(1)的输出端分别与脉冲输出光电隔离模块(4) 的输入端及模拟控制模块(5)的输入端连接，脉冲输出光电隔离模块(4) 的输出端与伺服驱动器连接，伺服驱动器驱动伺服电机，模拟控制模块(5)的输出端与气泵连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述嵌入式多核控制***(1)采用Xilinx FPGA XC4VFX12芯片，包括通过Xilinx xps 开发平台定制的嵌入在FPGA XC4VFX12中的32位RISC软核处理器，以及通过Verilog HDL 设计而成的第一IP核和第二IP核，其中第一IP核的输出端与32位RISC软核处理器输入端连接，32位RISC软核处理器输出端与第二IP核的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述信号检测模块(2)包括有霍尔开关(21)及光电隔离电路(22) ,霍尔开关(21)输出端与光电隔离电路(22)的输入端连接，光电隔离电路(22)的输出端与嵌入式多核控制***(1)的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述霍尔开关(21)由6个霍尔传感器组成，分别用于机床X轴、Y轴4路限位信号以及X轴、Y轴两路原位信号的检测，光电隔离电路(22)输出6路TTL电平信号到32位RISC软核处理器(11)，光电隔离电路(22)由3片TLP521-2芯片组成。
5. 根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述视觉跟踪(3)包括摄像头(31)、视频解码器(32)、数据传输接口(33)，其中摄像头(31)的输出端与视频解码器(32)的输入端连接，视频解码器(32)的输出端与数据传输接口(33)的输入端连接，数据传输接口(33)的输出端与嵌入式多核控制***(1)的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述视频解码(32)采用ADV7181C芯片，数据传输接口(33)采用VK3366芯片，VK3366芯片的主接口为I2C接口。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述脉冲输出光电隔离模块(4)由10片6N136芯片组成，光电隔离模块(4)的输出端同时输出10路频率为0~9000Hz的脉冲信号到伺服驱动器。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述模拟控制模块(5)包括滤波放大电路(51)、电磁阀(52)，其中滤波放大电路(51) 的输出端与电磁阀(52)的输入端连接，电磁阀(52)的输出端与气泵连接。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述滤波放大电路(51)采用运算放大器，电磁阀(52)输入模拟电压范围为0~ 12V。
10.一种基于FPGA的嵌入式数字控制器的控制方法，其特征在于包括如下过程：
1）***上电后，由嵌入式多核控制***通过脉冲输出光电隔离模块向伺服驱动器输出插补脉冲控制机床的X，Y轴回原位运动，并通过信号检测模块输入原位信号到32位RISC软核处理器，直到机床的X轴、Y轴移动到原点位置；
2）视觉跟踪模块通过摄像头获取实时加工轨迹视频，视频解码器在完成加工轨迹视频信号模数转换以及RGB、场信号、行信号的分离后通过I2C总线将视频数据送到数据传输接口，然后再将视频数据送到嵌入式多核控制***内的第一IP核；
3）嵌入式多核控制***内的第一IP核获取视觉跟踪模块传输进来的数据后进行加工轨迹图像处理及加工轨迹误差计算，所得误差传给32位RISC软核处理器，32位RISC软核处理器对预加工轨迹进行补偿后向第二IP核发送预加工轨迹数据，第二IP核负责预加工轨迹数据插补脉冲生成，并经过脉冲输出光电隔离模块4输出插补脉冲；
4）嵌入式多核控制***内的32位RISC软核处理器产生模拟PWM信号，经过滤波放大电路输出到电磁阀实现电磁阀的比例控制；
5）加工过程中，嵌入式多核控制***内的32位RISC软核处理器实时检测信号检测模块输入的限位信号，当机床X轴、Y轴运动超出规定的行程时，限位信号输出高电平，此时32位RISC软核处理器向第二IP核发出停止加工轨迹插补脉冲输出的指令。
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