CN105682864A - 一种控制卡及机器人 - Google Patents

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Abstract

一种运动控制卡(1)，包括：用于接收和解析上位机(2)控制命令的算法模块(11)；将解析后的控制命令转发至伺服驱动器(3)的通讯模块(12)；通讯模块(12)与算法模块(11)通过并口电连接；通讯模块(12)设有公端连接器，其与设置在算法模块(11)上的母端连接器适配连接。该运动控制卡通用性强，应用范围大，更换成本低。还公开了一种具有该运动控制卡的机器人。

Description

一种控制卡及机器人
【技术领域】
本发明涉及机械自动化技术领域，特别是涉及一种运动控制卡及具有该运动控制卡的机器人。
【背景技术】
运动控制卡是一种基于PC或工业PC，用于各种运动控制场合的控制单元，例如对位移、速度、加速度等运动的控制。 运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速数字信号处理器（digital signal processor，DSP）作为运动控制核心，大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互界面的管理和控制***的实时监控等方面的工作，例如键盘和鼠标的管理、***状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等；控制卡完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等。
本发明的发明人经过研究发现随着工业控制通讯技术的不断发展，工业以太网（基于IEEE802.3应用于工业控制领域的以太网总线技术）逐步成为现场总线主要的通讯连接方式，各个伺服驱动器厂家推出基于高速工业以太网接口的伺服驱动器，但存在以下缺陷：
1、应用范围窄：传统运动控制卡只支持单一接口，应用范围很窄，只能连接特定接口的伺服驱动器。
2、更换成本高：为了适配不同接口的伺服驱动器，运动控制卡不得不根据所连接的伺服驱动器接口，重新设计、更换整个运动控制卡，同时更换上位机软件，造成需要大量的设计、物料成本。
3、通用性差：由于运动控制卡接口的单一，不能根据机械控制的需求，灵活的更换伺服驱动器，对于产品线的升级造成很大的局限性。
【发明内容】
本发明为解决现有技术中运动控制卡接口单一，应用范围窄，更换成本高，通用性差的问题，提供一种应用范围广，更换成本低，通用性好的运动控制卡。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种运动控制卡，包括：
用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的算法模块；
将算法模块解析的控制命令转发至伺服驱动器的通讯模块；
所述通讯模块设有公端连接器与设置在算法模块上的母端连接器适配连接。
优选的，所述算法模块包括DSP处理器，所述通讯模块包括ARM处理器，所述DSP处理器与所述ARM处理器通过并口电气连接。
优选的，所述DSP处理器设有双口RAM。
优选的，所述算法模块包括连接与与所述DSP处理器和上位机之间的PCI功能模块，所述PCI功能模块设有与上位机电连接的连接器。
优选的，所述算法模块包括与所述DSP处理器连接的外部存储器模块，所述外部存储器模块包括用于存储所述PCI功能模块接收到的上位机指令和数据的SDRAM 和用于存放固件程序的FLASH。
优选的，所述算法模块包括与所述DSP处理器连接的ARM通讯接口模块，ARM通讯接口模块用于与ARM处理器进行通讯。
优选的，所述算法模块还包括第一电源模块，用于为算法模块提供电源；复位模块，用于对DSP处理器进行复位，第一电源模块和第一复位模块均与DSP处理器连接。
优选的，所述通讯模块包括与所述ARM处理器连接的DSP通讯接口模块，DSP通讯接口模块用于与DSP处理器进行通讯。
优选的，所述通讯模块包括连接与ARM处理器和伺服驱动器之间的总线接口模块，所述总线接口模块包括脉冲接口、Mechatrolink-III接口、EtherCAT接口和CANopen接口。
优选的，所述通讯模块还包括第二电源模块，用于为通讯模块提供电源；复位模块，用于对ARM处理器进行复位，第二电源模块和第二复位模块均与ARM处理器连接。
优选的，所述DSP处理器包括用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的DSP信号处理单元，所述ARM处理器包括向伺服驱动器发送所述DSP信号处理单元解析的控制命令的ARM通讯处理单元。
优选的，所述DSP信号处理单元包括与状态反馈模块和命令处理模块连接的DSP通讯接口命令处理模块，用于实现DSP信号处理单元和ARM通讯处理单元之间的信号传输。
优选的，所述ARM通讯处理单元包括与DSP通讯接口命令处理模块连接的ARM通讯接口命令处理模块， 用于实现DSP信号处理单元和ARM通讯处理单元之间的信号传输。
优选的，所述DSP信号处理单元还包括上位机通讯模块和命令处理模块，所述上位机通讯模块一端与所述上位机连接，另一端与所述处理模块和所述状态反馈模块连接，用于接收所述上位机的通讯指令和上传所述伺服驱动器的状态信息，所述命令处理模块用于解析所述上位机的控制命令。
优选的，所述所述DSP信号处理单元还包括算法库模块，所述算法库模块与所述命令处理模块连接，用于向所述命令处理模块提供解析算法，实现运动控制的函数。
优选的，所述公端连接器为插针，所述母端连接器为与所述插针适配的连接孔。
一种机器人，包括所述运动控制卡，所述运动控制卡包括：
用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的算法模块；
将算法模块解析的控制命令转发至伺服驱动器的通讯模块；
所述通讯模块设有公端连接器与设置在算法模块上的母端连接器适配连接。
本发明提供的一种运动控制卡，通过在通讯模块上设置公端连接器，在算法模块上设置母端连接器，使得运动控制卡的通讯模块和算法模块可分离，通讯模块可进行拆换，从而同一运动控制卡可以根据不同的伺服驱动器接口选择安装相应的通讯模块，因此，无需更换整个运动控制卡，便可实现适配不同接口的伺服驱动器，增强了运动控制卡通用性，扩大了应用范围，降低运动控制卡更换成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例运动控制卡工作原理示意图；
图2为本发明实施例运动控制卡结构框图；
图3为本发明实施例运动控制卡逻辑框图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，图1为本发明实施例运动控制卡工作原理示意图；本发明提供一种运动控制卡1，上位机2与运动控制卡1构成主从式控制结构，运动控制卡基于PC总线（PCI总线）与伺服驱动器3连接，实现多个伺服电机的多轴协调控制。上位机负责人机交互界面的管理和控制***的实时监控等方面的工作，例如键盘和鼠标的管理、***状态的显示、运动轨迹规划、控制指令的发送、外部信号的监控等等；运动控制卡完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、运动轨迹规划、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等。运动控制卡包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，脉冲输出模式包括脉冲/方向、脉冲/脉冲方式，脉冲计数用于编码器的位置反馈，提供机器准备的位置，纠正传动过程中产生的误差，数字输入/输出用于限位、原点开关等。
如图2所示，图2为本发明实施例运动控制卡结构框图；本发明运动控制卡1的实施例中，运动控制卡1包括：
用于接收上位机2控制命令并解析该控制命令的算法模块11，其向上对于上位机2提供统一控制接口；将算法模块11解析的控制命令转发至伺服驱动器3的通讯模块12；所述通讯模块12与所述算法模块11通过并口电连接；所述通讯模块12设有公端连接器与设置在算法模块11上的母端连接器适配连接。
本发明将通讯模块12上的公端连接器设置为插针，将算法模块11的母端连接器设置为与插针适配的连接孔，但是本发明所述的公端连接器和母端连接器并不限于插针和与其适配的连接孔的形状、大小，也包括连接器的其他常规技术手段。
所述算法模块11包括DSP处理器110，选用TMS320DM642；所述通讯模块12包括ARM处理器120，选用STM32F405ZG，所述DSP处理器110与所述ARM处理器120通过并口电气连接，传输速度更快。
所述算法模块11还包括以下模块：第一电源模块111、第一复位模块112、ARM通讯接口模块113以及外部存储器模块114。
第一电源模块111，为算法模块11提供电源，选用TPS54310芯片，含有1.8V、3.3V和5V三种电压，5V电源从PCI接口提供；
第一复位模块112，负责电路的复位，选用TPS386000芯片，连接到DSP处理器110的Reset引脚，用来对DSP处理器110进行复位；
ARM通讯接口模块113，用于与ARM处理器120进行通讯，使用TMS320DM642的EMIF接口CE2地址空间；
PCI功能模块115，连接与所述DSP处理器110和上位机之间，完成来自上位机(例如工控机IPC)的命令接收和驱动器的状态发送，所述PCI功能模块包括与上位机（工控机IPC）插槽电连接的连接器，此模块中通过DSP的PCI/HPI接口，经三个PCI总线缓存提供对外PCI连接器，使用这个连接器可以连接到上位机（工控机IPC）的PCI插槽中。
外部存储器模块114，与所述DSP处理器110连接，所述外部存储器模块包括SDRAM，其用于存储所述PCI功能模块115接收到的上位机指令和数据以及程序运行过程中实时的状态信息的，使用TMS320DM642的EMIF接口CE0地址空间，外部存储器模块还包括用于存放固件程序的FLASH，实现自启动，使用TMS320DM642的EMIF接口CE1地址空间；
所述DSP处理器110设有双口RAM，用于解决DSP处理器110与ARM处理器120之间的驱动能力问题。
所述通讯模块12还包括以下模块：第二电源模块121、第二复位模块122、DSP通讯接口模块123以及总线接口模块124。
第二电源模块121，选用TPS62291芯片和TPS62290芯片，可提供2.5V和3.3V电压，是ARM处理器120以及其***器件正常工作的基础；
第二复位模块122，复位芯片选用TPS386000连接到ARM处理器120的复位引脚，对整个电路进复位；
DSP通讯接口模块123，用于与DSP处理器110进行通讯，DSP通讯接口模块123与ARM通讯接口模块113连接，实现DSP处理器110与所述ARM处理器120之间的通讯。DSP处理器110能够通过10根地址线和16根数据线直接访问ARM处理器120的内存空间， STM32F405ZG端使用FSMC接口。
总线接口模块124，连接与ARM处理器120和伺服驱动器3之间，总线接口模块124的电路根据不同的协议，做成一个系列，包含脉冲加方向接口、Mechatrolink-III接口、EtherCAT接口和CANopen接口。
如图3所示，图3为本发明实施例运动控制卡逻辑框图；所述DSP处理器110包括用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的DSP信号处理单元1101，所述ARM处理器120包括向伺服驱动器发送所述DSP信号处理单元1101解析的控制命令的ARM通讯处理单元1201。
所述DSP信号处理单元1101包括：上位机通讯模块11011、命令处理模块11012、算法库模块11014、状态反馈模块11013以及DSP通讯接口命令处理模块11015。
上位机通讯模块11011，一端与上位机2连接，另一端与命令处理模块11012和状态反馈模块11013连接，主要接收上位机2的通讯指令和上传伺服驱动器3的状态信息，在其所连接的SDRAM中开辟四个数据地址空间和一个命令地址空间，命令地址空间用来接收从上位机发送过来的控制指令，比如伺服驱动器连接、伺服驱动器上电等指令，四个数据地址空间两个用来存放从上位机发送过来的轨迹信息，两个用来存放伺服驱动器运行状态信息；
命令处理模块11012，用于解析上位机2控制命令，根据从上位机通讯模块11011接收到的不同指令，处理相应的操作，比如接收到插补的指令，就调用算法库模块11014中的插补函数，对轨迹进行插补和速度规划，然后将数据指令发送给通讯模块12；
算法库模块11014，与命令处理模块11012连接，算法库模块11014用于向所述命令处理模块11012提供解析算法，实现运动控制的函数，包括T型速度规划、S型速度规划、直线插补、圆弧插补等等算法函数。
状态反馈模块11013，状态反馈模块11013用于获取伺服驱动器3运动状态信息，从通讯模块12获取到伺服驱动器3的实时状态，诸如轴位置信息，轴速度信息等，将其发给上位机进行显示；
DSP通讯接口命令处理模块11015，与状态反馈模块11013和命令处理模块11012连接，用于实现DSP信号处理单元1101和ARM通讯处理单元1201之间的信号传输，约定DSP信号处理单元1101和ARM通讯处理单元1201之间的通讯地址空间。
所述ARM通讯处理单元1201包括：ARM通讯接口命令处理模块12011、总线应用层模块12012和总线链路层模块12013。
ARM通讯接口命令处理模块12011，与DSP通讯接口命令处理模块连接，用于实现DSP信号处理单元和ARM通讯处理单元之间的信号传输，实现与算法模块11的数据读写函数。
总线应用层模块12012，与ARM通讯接口命令处理模块12011连接的总线应用层模块12012，总线应用层模块12012用于按照总线的协议结构封装所述ARM通讯接口命令处理模块12011发送的数据信息，具体的，实现现场总线的应用层，按照周期性数据通讯和非周期性数据通讯的格式，将算法板插补以后的位置信号或者速度信息按照总线的协议结构进行封装，然后发送给总线协议的数据链路层函数；
总线链路层模块12013，与总线应用层模块12012连接的总线链路层模块12013，总线链路层模块12013用于接收所述ARM通讯接口命令处理模块12011发送的数据信息并依据该信息进行总线协议芯片的初始化，具体的，实现对于总线协议芯片的初始化，配置相关的参数，有些总线协议的协议芯片会做一部分数据链路层的函数，这里主要实现其相关初始化的工作。
本发明实施例还提供一种工业机器人，包括上述运动控制卡1。
从硬件上来讲，将运动控制卡的算法模块做成一个底板，将通讯模块做成扣板，通讯模块上设有插针，算法模块上设有插针适配的连接孔，同样一张算法模块板卡能够支持不同的通讯模块板卡，使得连接灵活，***升级方便。本发明提供的运动控制卡，通过在通讯模块上设置公端连接器，在算法模块上设置母端连接器，使得运动控制卡的通讯模块和算法模块可分离，通讯模块可进行拆换，从而同一运动控制卡可以根据不同的伺服驱动器接口选择安装相应的通讯模块，因此，无需更换整个运动控制卡，便可实现适配不同接口的伺服驱动器，增强了运动控制卡通用性，扩大了应用范围，降低运动控制卡更换成本。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

  1. 一种运动控制卡，其特征在于，包括：
    用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的算法模块；
    将算法模块解析的控制命令转发至伺服驱动器的通讯模块；
    所述通讯模块设有公端连接器与设置在算法模块上的母端连接器适配连接。
  2. 根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于：所述算法模块包括DSP处理器，所述通讯模块包括ARM处理器，所述DSP处理器与所述ARM处理器通过并口电气连接。
  3. 根据权利要求2所述的运动控制卡，其特征在于：所述DSP处理器设有双口RAM。
  4. 根据权利要求2所述的运动控制卡，其特征在于：所述算法模块包括连接与所述DSP处理器和上位机之间的PCI功能模块，所述PCI功能模块设有与上位机电连接的连接器。
  5. 根据权利要求4所述的运动控制卡，其特征在于：所述算法模块包括与所述DSP处理器连接的外部存储器模块，所述外部存储器模块包括用于存储所述PCI功能模块接收到的上位机指令和数据的SDRAM 和用于存放固件程序的FLASH。
  6. 根据权利要求5所述的运动控制卡，其特征在于：所述算法模块包括与所述DSP处理器连接的ARM通讯接口模块，ARM通讯接口模块用于与ARM处理器进行通讯。
  7. 根据权利要求6所述的运动控制卡，其特征在于：所述算法模块还包括第一电源模块，用于为算法模块提供电源；复位模块，用于对DSP处理器进行复位，第一电源模块和第一复位模块均与DSP处理器连接。
  8. 根据权利要求2所述的运动控制卡，其特征在于：所述通讯模块包括与所述ARM处理器连接的DSP通讯接口模块，DSP通讯接口模块用于与DSP处理器进行通讯。
  9. 根据权利要求8所述的运动控制卡，其特征在于：所述通讯模块包括连接与ARM处理器和伺服驱动器之间的总线接口模块，所述总线接口模块包括脉冲接口、Mechatrolink-III接口、EtherCAT接口和CANopen接口。
  10. 根据权利要求9所述的运动控制卡，其特征在于：所述通讯模块还包括第二电源模块，用于为通讯模块提供电源；复位模块，用于对ARM处理器进行复位，第二电源模块和第二复位模块均与ARM处理器连接。
  11. 根据权利要求2所述的运动控制卡，其特征在于：所述DSP处理器包括用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的DSP信号处理单元，所述ARM处理器包括向伺服驱动器发送所述DSP信号处理单元解析的控制命令的ARM通讯处理单元。
  12. 根据权利要求11所述的运动控制卡，其特征在于：所述DSP信号处理单元包括与状态反馈模块和命令处理模块连接的DSP通讯接口命令处理模块，用于实现DSP信号处理单元和ARM通讯处理单元之间的信号传输。
  13. 根据权利要求12所述的运动控制卡，其特征在于：所述ARM通讯处理单元包括与DSP通讯接口命令处理模块连接的ARM通讯接口命令处理模块， 用于实现DSP信号处理单元和ARM通讯处理单元之间的信号传输。
  14. 根据权利要求13所述的运动控制卡，其特征在于：所述DSP信号处理单元还包括上位机通讯模块和命令处理模块，所述上位机通讯模块一端与所述上位机连接，另一端与所述处理模块和所述状态反馈模块连接，用于接收所述上位机的通讯指令和上传所述伺服驱动器的状态信息，所述命令处理模块用于解析所述上位机的控制命令。
  15. 根据权利要求14所述的运动控制卡，其特征在于：所述所述DSP信号处理单元还包括算法库模块，所述算法库模块与所述命令处理模块连接，用于向所述命令处理模块提供解析算法，实现运动控制的函数。
  16. 根据权利要求1所述的运动控制卡，其特征在于：所述公端连接器为插针，所述母端连接器为与所述插针适配的连接孔。
  17. 一种机器人，其特征在于，包括权利要求1~16任一项所述的运动控制卡，所述运动控制卡包括：
    用于接收上位机控制命令并解析该控制命令的算法模块；
    将算法模块解析的控制命令转发至伺服驱动器的通讯模块；
    所述通讯模块设有公端连接器与设置在算法模块上的母端连接器适配连接。
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