[发明专利]基于ARM的嵌入式运动控制卡

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控技术领域的运动控制卡，具体是一种基于ARM的嵌入式运动控制卡。

背景技术

在数控技术领域中，运动控制器是数字化控制的核心部件。运动控制器往往采用“运动控制卡+PC”的结构，PC部分主要用于实现人机交互的功能，包括数控编程输入、状态监控、手动控制等，针对不同的应用场合，可以选择采用普通PC或者工业PC。而运动控制卡是运动控制的核心单元，它能够将预定的控制方案指令转变成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置、速度或者转矩控制。

经过对现有技术的文献检索发现，李莉等在《计算机测量与控制》2007年第15期上发表的“基于ARM和FPGA的机器人运动控制器的实现”一文中，给出了一种基于ARM处理器和FPGA(现场可编程门阵列)的嵌入式机器人运动控制器架构，包括了以ARM芯片S3C44BOX作为运算芯片，连接FPGA芯片EP2C8硬件译码，控制电机，并通过和S3C44BOX芯片连接的485串口进行通讯的运动控制器。但该控制器有如下缺点：(1)系统微处理器采用ARM7架构的处理器，速度较慢。系统采用串口和外部进行通讯，速度较慢，传输距离有限，传输方式落后；(2)该系统配置存储器较小、Flash存储器12MB，SDRAM存储器32MB，如果软件系统不断升级，不能适应发展需求；(3)系统采用μc-OS II操作系统，该操作系统提供的用户API较少，可扩展性不强。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于ARM(先进精简指令运算集芯片)的嵌入式运动控制卡，使其以ARM架构的芯片为核心，采用FPGA(现场可编程门阵列)芯片进行硬件译码，并采用双端口通讯模块和上位机进行通讯。本发明低功耗，多接口，强运算能力，低成本。

本发明通过如下技术方案实现的，本发明包括：主控制模块、FPGA模块(现场可编程门阵列模块)、存储器模块、看门狗及复位系统模块、扩展接口模块、系统时钟模块、GPIO模块(通用输入输出模块)、JTAG(联合测试行动小组标准)接口模块、双端口通讯模块、DA模块(数模转换模块)、AD模块(模数转换模块)、电源模块、输入输出信号接口模块，其中：

主控制模块为ARM微控制器，负责对存储器模块、GPIO模块进行访问控制，以及对双端口通讯模块、JTAG模块、输入输出信号接口模块、扩展接口模块传输给主控制模块的中断信号进行响应；主控制模块将数据传输进入FPGA模块，同时也将控制信息传入FPGA模块；

FPGA模块根据其内部的逻辑运算功能按照主控制模块的控制信息将输入的数据发送往双端口通讯模块、DA模块、AD模块、GPIO模块、JTAG接口模块中；由于FPGA模块外围接口多，扩展了硬件可分配地址，FPGA模块和主控制模块共同构成了整个系统的中心部分；

看门狗及复位模块负责监测主控制模块是否锁死，在主控制模块出现故障时控制电源模块短暂停止向主控制模块供电，实现主控制模块的重启；

JTAG接口模块通过FPGA模块实时读取主控制模块的数据信息，在开发时实现软件系统的在线调试以及单步运行等功能；

扩展接口模块获取外部信息(客户程序、设置参数、网络硬盘数据)，并将外部信息传输给主控制模块；

系统时钟模块负责向主控制模块提供晶振；

GPIO模块负责将FPGA模块的数据锁存输出至输入输出信号接口模块，同时负责将外部开关量和伺服信号锁存输入FGPA模块；

DA模块将FPGA模块传输的数字量信号转换后变为模拟量信号，并传输给输入输出接口模块；

AD模块将输入输出接口模块输入的外部模拟量信号转换为数字量信号，并传输进入FPGA模块；

输入输出信号接口模块将DA模块、GPIO模块输出的信号进行放大后输出给外部伺服驱动器及PLC(可编程逻辑控制器)控制电路，并将外部开关量信号和伺服反馈信号以及外部模拟量信号进行预先处理后通过AD模块传输给FPGA模块；

电源模块向主控制模块供电，并通过主控制模块供电给其他模块。

所述存储器模块包括FLASH存储器(闪存存储器)、SDRAM存储器(同步动态存储器)、NVRAM存储器(非挥发性随机存储器)，其中：FLASH存储器用于存储系统程序，NVRAM存储器用于存储系统配置文件、SDRAM存储器用于程序的运行。

所述扩展接口模块，包括：串口模块、USB接口模块、网络接口模块，其中：

串口模块负责串口通讯，将外部串口信号处理后传输给FPGA模块；