一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于SoCFPGA的三軸數(shù)控車床控制器，采用集成ARMCortexTM-A9MPCoreTM處理器系統(tǒng)的CycloneVFPGA的系統(tǒng)架構，本實用新型是通過電腦上位機軟件通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給嵌入式控制器，控制器接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)包后，解析出數(shù)據(jù)包中的操作命令后做相應的命令操作。主控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，做出相應的操作，包括液晶屏的顯示、手輪電路的控制、伺服電機的輸出、變頻器驅動、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路，同時主控制系統(tǒng)可以將采集來的數(shù)據(jù)存儲在外部FLASH中。本實用新型具有成本低，集成度高，體積小，后期維護成本低的優(yōu)勢。
【專利說明】—種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是數(shù)控技術應用專業(yè)領域，特指是一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器。
【背景技術】
[0002]隨著微電子與功率電子技術的迅速發(fā)展和現(xiàn)代控制理論為基礎的高精度、高響應交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，使數(shù)控系統(tǒng)的性能日臻完善，各項性能指標大為提高，數(shù)控車床技術正在向經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)發(fā)展。經(jīng)濟型數(shù)控車床技術可以分為兩類:工控PC機和單片機數(shù)控系統(tǒng)。雖然目前國內(nèi)工控PC機從控制功能、抗干擾能力等方面都有了快速的發(fā)展，到那時較國外系統(tǒng)還有一定的差距；單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件由單片機系統(tǒng)組成，隨著數(shù)控車床的加工速度以及加工的精度不斷提升，要求單片機的運算速度和精度不斷提高，超低功耗的MSP430單片機、AVR以及STM32F103VET6等系列的單片機也廣泛應用。本實用新型提出一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器，較PLC、DSP以及ARM等控制系統(tǒng)相比，其優(yōu)點有，技術成熟，集成度高，價格低廉，實時性好等特點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本實用新型針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器。
[0004]為實現(xiàn)以上目的，本實用新型采用的技術方案為:
[0005]一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器由一個主控制系統(tǒng)和一個IO驅動電路模塊組成。
[0006]主控制系統(tǒng)采用模塊化結構，包括集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的SoC FPGA模塊、編碼器接口電路模塊、面板按鍵電路模塊、RS232串口模塊、外部SPI FLASH存儲電路模塊、外部NAND FLASH存儲電路模塊、外部DDR3 SDRAM電路模塊、USB Host接口電路模塊、SD卡存儲電路模塊、EPCS配置電路模塊、觸摸式LCD電路模塊及LVDS信號接口電路。
[0007]主控制系統(tǒng)采用DB15接口與伺服控制器相連，觸摸式液晶屏通過LVDS信號接口和觸摸屏電路與SoC FPGA模塊相連，RS232串口模塊通過TTL-RS232電平轉換芯片與SoCFPGA模塊連接，外部SPI FLASH模塊通過SPI總線與SoC FPGA模塊相連，外部NAND FLASH模塊通NAND FLASH接口與SoC FPGA模塊相連，外部DDR3 SDRAM模塊通過DDR3 SDRAM接口與SoC FPGA模塊相連，USB Host接口電路模塊遵循USB2.0協(xié)議，即通過USB總線與SoCFPGA模塊連接，SD卡存儲電路模塊通過MMC總線與SoC FPGA模塊連接，EPCS配置電路模塊通過EPCS配置接口與SoC FPGA模塊相連。
[0008]IO驅動電路模塊包括光耦隔離電路、驅動電路、手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路、
[0009]所述的光耦隔離電路通過驅動電路分別與手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路相連；
[0010]IO驅動電路模塊的光耦隔離電路與主控制系統(tǒng)的SoC FPGA模塊的I/O 口相連；
[0011]嵌入式主控制器選用集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的SoC FPGA，用于實現(xiàn)整個數(shù)控車床的控制系統(tǒng)的運行管理和控制，同時包括主軸編碼器計數(shù)，手輪信號計數(shù)，X，Y，Z軸伺服驅動，主軸編碼器驅動，電機驅動，刀架驅動，讀寫輸入和輸出開關量；外部SPI FLASH芯片采用臺灣Winbond公司生產(chǎn)的W25X64，通過SPI總線和嵌入式控制器相連；外部NAND FLASH芯片選用Samsung公司生產(chǎn)的K9F4G08U0A ;外部DDR3 SDRAM芯片選用Samsung公司生產(chǎn)的K4B4G0846B ；RS232模塊的電平轉換芯片選用MAXM公司的型號為MAX232芯片；FPGA配置芯片選用Altera公司的專用配置芯片EPCS16 ;IXD顯示器采用群創(chuàng)的7寸數(shù)字觸摸屏AT070TN83，通過LVDS信號接口和觸摸屏電路來驅動液晶顯示和觸摸屏。
[0012]本實用新型所具有的有益效果是:系統(tǒng)采用集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的SoC FPGA的系統(tǒng)架構，一方面可以改進傳統(tǒng)數(shù)控車床成本，滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床的需求，另外一方面本架構具有高效的邏輯集成功能，降低了系統(tǒng)功耗和成本，減小了電路板面積，從而可以大大提高系統(tǒng)的性價比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1、主控制系統(tǒng)示意圖；
[0014]圖2、IO驅動電路示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實例對本實用新型進一步說明。
[0016]一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器由一個主控制系統(tǒng)和一個IO驅動電路模塊組成。
[0017]如圖1所示，主控制系統(tǒng)采用模塊化結構，包括集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的SoC FPGA模塊、編碼器接口電路模塊、面板按鍵電路模塊、RS232串口模塊、夕卜部SPI FLASH存儲電路模塊、外部NAND FLASH存儲電路模塊、外部DDR3 SDRAM電路模塊、USB Host接口電路模塊、SD卡存儲電路模塊、EPCS配置電路模塊、觸摸式LCD電路模塊及LVDS信號接口電路。
[0018]主控制系統(tǒng)采用DB15接口與伺服控制器相連，觸摸式液晶屏通過LVDS信號接口和觸摸屏電路與SoC FPGA模塊相連，RS232串口模塊通過TTL-RS232電平轉換芯片與SoCFPGA模塊連接，外部SPI FLASH模塊通過SPI總線與SoC FPGA模塊相連，外部NAND FLASH模塊通NAND FLASH接口與SoC FPGA模塊相連，外部DDR3 SDRAM模塊通過DDR3 SDRAM接口與SoC FPGA模塊相連，USB Host接口電路模塊遵循USB2.0協(xié)議，即通過USB總線與SoCFPGA模塊連接，SD卡存儲電路模塊通過MMC總線與SoC FPGA模塊連接，EPCS配置電路模塊通過EPCS配置接口與SoC FPGA模塊相連。
[0019]如圖2所示，IO驅動電路模塊包括光耦隔離電路、驅動電路、手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路。
[0020]所述的光耦隔離電路通過驅動電路分別與手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路相連；
[0021]IO驅動電路模塊的光耦隔離電路與主控制系統(tǒng)的SoC FPGA模塊的I/O 口相連；
[0022]嵌入式主控制器選用集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的Cyclone VFPGA，用于實現(xiàn)整個數(shù)控車床的控制系統(tǒng)的運行管理和控制，同時包括主軸編碼器計數(shù)，手輪信號計數(shù)，X，Y，Z軸伺服驅動，主軸編碼器驅動，電機驅動，刀架驅動，讀寫輸入和輸出開關量；外部SPI FLASH芯片采用臺灣Winbond公司生產(chǎn)的W25X64，通過SPI總線和嵌入式控制器相連；外部NAND FLASH芯片選用Samsung公司生產(chǎn)的K9F4G08U0A ;外部DDR3 SDRAM芯片選用Samsung公司生產(chǎn)的K4B4G0846B ；RS232模塊的電平轉換芯片選用MAXM公司的型號為MAX232芯片；FPGA配置芯片選用Altera公司的專用配置芯片EPCS16 ;IXD顯示器采用群創(chuàng)的7寸數(shù)字觸摸屏，通過LVDS信號接口和觸摸屏電路來驅動液晶顯示和觸摸屏。
[0023]一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器的基本工作流程是通過電腦上位機軟件通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給嵌入式控制器，控制器接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)包后，解析出數(shù)據(jù)包中的操作命令后做相應的命令操作。主控制系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后，做出相應的操作，包括液晶屏的顯示、手輪電路的控制、伺服電機的輸出，變頻器驅動、主軸接口電路(變頻器的驅動)、刀架接口電路、輸入開關量接口電路(循環(huán)啟動，急停，暫停，超程報警等等)、輸出開關量接口電路(卡盤，尾座，冷卻液，潤滑油等等)，同時主控制系統(tǒng)可以將采集來的數(shù)據(jù)存儲在外部FLASH中。
【權利要求】
1.一種基于SoC FPGA的三軸數(shù)控車床控制器由一個主控制系統(tǒng)和一個IO驅動電路模塊組成； 其特征在于:主控制系統(tǒng)采用模塊化結構，包括集成ARM Cortex?-A9 MPCoreTM處理器系統(tǒng)的SoC FPGA模塊、編碼器接口電路模塊、面板按鍵電路模塊、RS232串口模塊、外部SPI FLASH存儲電路模塊、外部NAND FLASH存儲電路模塊、外部DDR3 SDRAM電路模塊、USBHost接口電路模塊、SD卡存儲電路模塊、EPCS配置電路模塊、觸摸式LCD電路模塊及LVDS信號接口電路； 主控制系統(tǒng)采用DB15接口與伺服控制器相連，觸摸式液晶屏通過LVDS信號接口和觸摸屏電路與SoC FPGA模塊相連，RS232串口模塊通過TTL-RS232電平轉換芯片與SoC FPGA模塊連接，外部SPI FLASH模塊通過SPI總線與SoC FPGA模塊相連，外部NAND FLASH模塊通NAND FLASH接口與SoC FPGA模塊相連，外部DDR3 SDRAM模塊通過DDR3 SDRAM接口與SoC FPGA模塊相連，USB Host接口電路模塊遵循USB2.0協(xié)議，即通過USB總線與SoC FPGA模塊連接，SD卡存儲電路模塊通過MMC總線與SoC FPGA模塊連接，EPCS配置電路模塊通過EPCS配置接口與SoC FPGA模塊相連； IO驅動電路模塊包括光耦隔離電路、驅動電路、手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路、 所述的光耦隔離電路通過驅動電路分別與手輪接口電路、電機信號接口電路、主軸接口電路、刀架接口電路、輸入開關量接口電路、輸出開關量接口電路相連； IO驅動電路模塊的光耦隔離電路與主控制系統(tǒng)的SoC FPGA模塊的I/O 口相連。
【文檔編號】G05B19/414GK203520105SQ201320636728
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權日:2013年10月15日
【發(fā)明者】黃繼業(yè), 劉云飛, 高明煜, 樓佳祥, 曾毓, 何志偉 申請人:杭州電子科技大學