一种自动控制芯片及系统的制作方法

1.本技术涉及工业自动化电子控制技术领域，具体而言，涉及一种自动控制芯片及系统。


背景技术：

2.工业自动化控制过程中，作为核心技术的运动控制系统发挥了越来越重要的作用。运动控制卡是一种基于工控机总线的高性能步进/伺服电机运动控制系统，其根据编写的控制算法规划运动轨迹，通过输出不同频率的脉冲控制电机转速、位移和方向，从而实现控制多个步进/伺服电机的多轴协调运行功能。
3.目前，运动控制卡一般通常采用专用运动控制芯片或dsp(digitalsignal processing)高性能微处理器作为运动控制核心，控制步进/伺服电机。运动控制卡配有开放的函数库供用户在dos(disk operating system)或 windows操作系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。然而，现有控制系统采用pci(peripheral component interconnect)接口或网线接口与计算机相连，需要与计算机相连才能实现控制，通讯速度慢，不能满足用户高实时性要求。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种自动控制芯片及系统，解决控制系统不能脱机运行、实时性差的问题。
5.本技术实施例提供了一种自动控制芯片，包括：arm控制模块和运动执行模块；与所述arm控制模块电性连接的第一高速网络通讯接口模块，用于接收控制指令；与所述arm控制模块电性连接的第二高速网络通讯接口模块，所述arm控制模块通过所述第二高速网络通讯接口模块传输所述控制指令；与所述运动执行模块电性连接的第三高速网络通讯接口模块，所述第三高速网络通讯接口模块与所述第二高速网络通讯接口模块电性连接，所述运动执行模块通过所述第三高速网络通讯接口模块接收传输的所述控制指令。
6.在上述实现过程中，该自动控制芯片包括arm控制模块、运动执行模块和几个高速网络通讯接口模块。运动执行模块接收arm控制模块下发的控制指令，完成相应指令操作。自动控制芯片内包含arm控制模块，一方面可进行嵌入式二次开发，另一方面可将实现业务功能的程序代码移植至该模块，既可以实现与计算机相连进行控制，也可以脱机运行实现自动控制。arm控制模块通过高速网络通讯接口模块与运动执行模块完成数据指令的相互通讯，降低了时延，提高了系统控制的实时性，实现了高精度、高速度、高可靠的运动控制要求。高速网络通讯接口模块直接在自动控制芯片上与控制模块通讯，增强了交互性，减少了连接故障。
7.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片包括：与所述arm控制模块电性连接的存储模块，用于存储所述控制指令。
8.在上述实现过程中，arm控制模块外围设置有存储模块，存储模块能够存储arm控
制模块接收的外部数据指令，也能够存储运动执行模块返回的数据指令，arm控制模块根据存储模块存储的数据，进行相应数据指令的读写操作，实现了对整个运动控制过程的实时监控与处理。
9.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片包括：所述存储模块包括：第一临时存储模块和长期存储模块。
10.在上述实现过程中，arm控制模块连接的存储模块具有长期存储和临时存储的功能。临时存储模块用于缓存临时变量等数据指令，如果掉电，临时存储的临时变量等数据指令就会消失；长期存储模块可以长期保存运动控制过程中的所用到的参数、变量、程序等数据指令；参数需要长期存储，能够加快调用速度，运动控制过程中会把参数调用到临时存储，从而提高执行效率。
11.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片包括：所述第一临时存储模块包括：静态随机存储器、动态随机存储器、同步动态存储器、双倍速率同步动态存储器中的任意一种随机存储器；所述长期存储模块包括：norflash存储器、nand flash存储器、emmc中的一种或多种闪存存储器。
12.在上述实现过程中，临时存储模块为随机存储器，长期存储模块为闪存存储器。随机存储器可存储arm控制模块运行的控制程序和预设的信息参数，还可以存储运动执行模块采集的现场数据，用于存储、处理数据以及实现上电后的嵌入式应用程序加载。闪存存储器长期存储自动控制过程中所必须用到的嵌入式应用程序、tcp/ip网络协议以及高速网络通讯接口模块的接口通讯协议。长期存储可以实现脱机运行的效果，临时存储可以实现实时处理的效果。
13.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片还包括：与所述arm控制模块和所述运动执行模块电性连接的电源模块，用于提供所需电源。
14.在上述实现过程中，电源模块通过将系统输入总电压转换为arm控制模块所需的工作电压以及运动执行模块所需的工作电压，实现了系统输入电压输出到arm控制系统电源，用于智能判断、数据处理及驱动控制，以及运动执行系统电源，用于执行arm控制指令。电源模块独立提供工作电压给运动控制芯片，不需计算机等外部设备提供电源，实现脱机运行。
15.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片包括：与所述运动执行模块电性连接的第二临时存储模块，用于缓存所述控制指令。
16.在上述实现过程中，运动执行模块外接临时存储模块，可以暂时存储arm控制模块通过高速网络通讯模块传输的数据指令。arm控制模块将批量运行指令直接下发至运动执行模块，运动执行模块通过外接的临时存储模块缓存起来，逐条顺序执行，前一指令执行完，无需等待外部计算机或arm控制模块发送新指令，直接执行后一指令，提高了自动控制的实时性。
17.在一可选的实施方式中，该自动控制芯片包括：所述第二临时存储模块包括：静态随机存储器、动态随机存储器、同步动态存储器、双倍速率同步动态存储器中的任意一种随机存储器。
18.在上述实现过程中，运动执行模块外接的临时存储模块为随机存储器。随机存储器可存储运行的控制数据指令，也可暂时存储运动执行模块采集的现场数据，用于缓存运
动执行数据指令以及外部多个传感器输入输出量。运动执行模块根据随机存储器暂存的数据，进行相应数据指令的读写操作或者将采集的现场数据通过高速网络通讯接口模块转发给arm控制模块。通过建立指令缓存机制，所有运动指令都能缓存，包括i/o指令，提高了运动执行模块响应用户指令进行运动控制的及时性，体现了自动控制芯片智能控制的高效性。
19.在一可选的实施方式中，该自动控制系统包括：自动控制芯片；与所述自动控制芯片的所述第一高速网络通讯接口模块电性连接的电子终端。
20.在上述实现过程中，该自动控制系统包括芯片与电子终端等外部设备，电子终端通过高速网络通讯接口模块实现上位机至下位机的通讯，自动控制芯片接收电子终端逐条或批量下发的数据指令，速度快，执行周期短。
21.在一可选的实施方式中，该自动控制系统还包括：电机；所述自动控制芯片还包括伺服驱动接口，所述电机与所述伺服驱动接口连接。
22.在上述实现过程中，该自动控制系统包括芯片与电机等外部设备，芯片通过相连的伺服驱动接口实现对电机的控制。
23.在一可选的实施方式中，该自动控制系统还包括：传感器；所述自动控制芯片还包括输入输出通道，所述传感器与所述输入输出通道电性连接。
24.在上述实现过程中，该自动控制系统包括芯片与传感器等外部设备，芯片通过相连的伺服驱动接口实现对传感器数据的采集。
25.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作更多说明如下。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
27.图1为本技术实施例提供的一种自动控制芯片的结构示意框图；
28.图2为本技术实施例提供的另一种自动控制芯片的结构示意框图；
29.图3为本技术实施例提供的一种自动控制系统的结构示意框图。
30.图标：10-arm控制模块；11-第一高速网络通讯接口模块；12-第二高速网络通讯接口模块；13-存储模块；131-第一临时存储模块；132-长期存储模块；20-运动执行模块；21-第三高速网络通讯接口模块；22-第二临时存储模块；23-伺服驱动接口；24-i/o通道；30-电源模块；40-电子终端； 50-电机；60-传感器。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示这些实体或操作
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常拜访的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能解释为本技术的限制。
34.本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.请参看图1，图1为本技术实施例提供的一种自动控制芯片的结构示意框图。该自动控制芯片包括arm控制模块10、第一高速网络通讯接口模块11、第二高速网络通讯接口模块12、运动执行模块20和第三高速网络通讯接口模块21。
36.示例性地，arm控制模块10可以用于进行数据处理、智能判断以及驱动控制，还可通过高速网络通讯接口模块的应用编程接口socket通讯实现与外部终端之间的交互。arm控制模块10可以表示为先进精简指令运算集的芯片。
37.可选地，arm控制模块10采用英国arm半导体公司的cortex-a9内核arm处理器，arm cortex-a9是基于指令集armv7的a系列处理器，支持16kb、32kb或64kb四路组相联一级缓存的配置，体积小、功耗低、稳定性高、抗干扰性强、具有高速的信号处理能力。
38.进一步地，基于cortex-a9多核架构的嵌入式系统，可以进行二次开发，用户可在dos或windows操作系统上通过c语言或c 语言编写代码程序，将二次开发的应用程序烧写到自动控制芯片，自动控制芯片调用、运行相关控制程序从而实现程序功能。
39.其中，第一高速网络通讯接口模块11与arm控制模块10电性连接，用于接收控制指令。
40.示例性地，第一高速网络通讯接口模块11可以是一组基于tcp/ip协议通信的socket通讯接口以及接口电路，通讯速度快，执行周期短。该第一高速网络通讯接口模块11在自动控制芯片上与实现控制功能的arm控制模块10通讯，增强了交互性，减少了连接故障。用户可通过对该第一高速网络通讯接口模块11中的接口进行c 程序编程开发，即通过第一高速网络通讯接口模块11与外部电子终端40建立通信连接，将编写的应用程序下载到arm控制模块10，完成对自动控制芯片的配置。
41.其中，第二高速网络通讯接口模块12与arm控制模块10电性连接， arm控制模块10通过第二高速网络通讯接口模块12传输所述控制指令。
42.示例性地，第二高速网络通讯接口模块12，同第一高速网络通讯接口模块11类似，是一组基于tcp/ip协议通信的接口以及接口电路，用于提供arm控制模块10与运动执行模块20传输数据的通道。arm控制模块 10调用应用程序下发数据指令，通过第二高速网络通
讯接口模块12的接口电路完成数据指令下发。
43.运动执行模块20是整个运动控制过程的执行单元，能够接收arm控制模块10下发的控制指令，并执行该控制指令，具体地，根据arm下发的控制程序指令等数据信号，转换处理后输出控制信号，实现对该运动执行模块20所连接的外部设备进行控制。
44.示例性地，运动执行模块20可采用fpga(field programmable gatearray，现场可编程门阵列)处理器，也可以采用dsp(digital signal process，数字信号处理)处理器。
45.可选地，运动执行模块20采用fpga处理器。fpga本身构成了集成电路，基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块等。fpga具有体积小、速度快、强运算能力，可重复编程、集成度高，成本低的优点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。
46.进一步地，arm控制模块10将数据通过第二高速网络通讯接口模块 12传输进入fpga处理器，同时将控制信息传入fpga处理器，fpga处理器接收控制信息并将其转换为能控制外部设备的控制信号。
47.其中，第三高速网络通讯接口模块21与运动执行模块20电性连接，第三高速网络通讯接口模块21与第二高速网络通讯接口模块12电性连接，运动执行模块20通过第三高速网络通讯接口模块21接收传输的控制指令。
48.示例性地，第三高速网络通讯接口模块21，同上述提到的第一高速网络通讯接口模块11和第二高速网络通讯接口模块12类似，是一组基于 tcp/ip协议通信的接口以及接口电路。
49.可选地，运动执行模块20通过上述第一高速网络通讯接口模块11和第二高速网络通讯接口模块12相互连接的接口电路实现与arm控制模块 10的通讯，运动执行模块20接收arm控制模块10发送的数据指令，缓存并陆续执行每一条指令，输出相应的控制信号。
50.请参看图2，图2为本技术实施例提供的另一种自动控制芯片的结构示意框图。该自动控制芯片包括：与arm控制模块10电性连接的存储模块13，用于存储所述控制指令；存储模块13包括：第一临时存储模块131和长期存储模块132；第一临时存储模块131包括：静态随机存储器、动态随机存储器、同步动态存储器、双倍速率同步动态存储器中的任意一种随机存储器；长期存储模块132包括：nor flash(nor型非易失闪存)存储器、 nand flash(nand型非易失闪存)存储器、emmc中的一种或多种闪存存储器。
51.示例性地，第一临时存储模块131可以为ddr3 sdram双倍速率同步动态存储器。ddr3(ddr3：计算机内存规格)内存采用了8位数据预存技术，具有低功耗、低发热的特点。dram(synchronous dynamicrandom-access memory：同步动态随机存取内存)为双存储结构、内含两个交错的存储系列的同步动态随机存储器。长期存储模块132为emmc (embedded multi media card：内嵌式存储器标准规格)存储器，emmc 存储器基本结构封装有多媒体卡接口、快闪存储器设备和主控制器。emmc 存储器接口速度可以达到每秒400mbytes，工作电压为1.8v或3.3v，具有快速、可升级的优异性能。
52.可选地，arm控制模块10通过外围的存储器接口访问第一临时存储模块131的ddr3 sdram随机存储器。ddr3 sdram随机存储器存储了 cortex-a9内核arm控制模块10运行的控制程序和预设的信息参数，还存储了fpga处理器采集运动信息数据的反馈信息，ddr3 sdram随机存储器加载上电后的嵌入式应用程序，然后在arm调用、运行程序期间存储相关数据指令。
53.可选地，长期存储模块132的emmc存储器通过arm控制模块10外围存储器接口或emmc存储器内部接口与arm控制模块10电路连接。 emmc存储器中可长期保存移植烧写的嵌入式基本应用程序以及需要长期保存的参数和指令。同时，emmc存储器必须长期保存固定的tcp/ip网络通信协议以及第一高速网络通讯接口模块11、第二高速网络通讯接口模块12和第三高速网络通讯接口模块21的通讯协议，用于整个控制电路的相互通讯。ddr3 sdram随机存储器临时存储运行数据指令可以实现实时处理的效果，emmc存储器长期存储应用程序可以实现脱机运行的效果。
54.请参看图2，该自动控制芯片还包括：与arm控制模块10和运动执行模块20电性连接的电源模块30，用于提供所需电源。
55.示例性地，电源模块30主要包括两种电源转换模块。通过将系统输入总电压转换为arm控制模块10控制系统智能判断、数据处理及驱动控制所需的工作电压和运动执行模块20执行arm控制指令所需的工作电压。两种电源转换模块独立提供输出电压给整个运动控制电路，不需计算机等外部设备提供工作电源，实现脱机运行。
56.可选地，电源转换模块输入电压范围为4.5v～24v，通过过流保护电路与过温保护电路输出可调电压范围为0.81v～15v，arm控制模块10工作电压可以为1.8v或3.3v，运动执行模块20工作电压可以为1.8v或3.3v。
57.请参看图2，该自动控制芯片还包括：与运动执行模块20电性连接的第二临时存储模块22，用于缓存所述控制指令；
58.示例性地，运动执行模块20通过外围的存储器接口电路连接第二临时存储模块22。第二临时存储模块22为ddr3 sdram双倍速率同步动态随机存储器，存储数据量大，读写速度快。
59.该第二临时存储模块22包括：静态随机存储器、动态随机存储器、同步动态存储器、双倍速率同步动态存储器中的任意一种随机存储器。
60.示例性地，ddr3 sdram双倍速率同步动态随机存储器作为第二临时存储模块22的主要电路结构。arm控制模块10批量下发的运行指令首先通过其外围连接的第二高速网络通讯接口模块12的接口电路，然后被传输至第三高速网络通讯接口模块21的接口电路，第三高速网络通讯接口模块连接的运动执行模块20接收这些指令，最终，运动执行模块20的外部存储器ddr3 sdram将这些指令临时存储起来，逐条顺序执行。前一指令执行完，无需等待外部计算机或arm控制模块10发送新指令，直接执行后一指令，提高了自动控制的实时性。但是，由于ddr3 sdram只有缓存功能，掉电后，数据消失，此时，运动执行模块20将不能正常运行指令输出电流脉冲控制信号。
61.请参看图3，图3为本技术实施例提供的一种自动控制系统的结构示意框图。该自动控制系统包括：自动控制芯片；与该自动控制芯片的第一高速网络通讯接口模块11电性连接的电子终端 40。
62.示例性地，电子终端40为带有嵌入式系统的编程平台的工业pc(计算机)机。用户可根据需求基于嵌入式系统通过c语言或c 语言编写、调试代码程序，将二次开发的应用程序烧写到芯片内部，具体地，通过第一高速网络通讯接口模块11按照tcp/ip通信协议将外部的程序代码传输到arm控制模块10，arm控制模块10接收后首先存储在其长期存储模块132的外部存储器：emmc中，arm控制模块10通过存储器接口访问 emmc，读取数据。
63.请参看图3，该自动控制系统还包括：电机50；自动控制芯片还包括伺服驱动接口24，电机50与所述伺服驱动接口24连接。
64.示例性地，自动控制芯片的运动执行模块20外接多轴伺服驱动接口24，每个轴控制接口连接一个伺服电机50，具体地，轴数量为4～16个。
65.可选地，用户编写直线插补或圆弧插补算法，在pc机上调试完毕，烧写到自动控制芯片中。arm控制模块10存储该算法程序，读取相关数据指令，并将其逐条或批量通过第二高速网络通讯接口模块12和第三高速网络通讯接口模块21电路传输给运动执行模块20，运动执行模块20响应并执行相关指令，输出约5v电压的pwm(pulse width modulation：脉冲宽度调制)脉冲驱动信号到四轴伺服驱动接口24，pwm脉冲输出的最高频率为 6mhz，控制四个电机50同步运动，完成直线、圆弧等基本轮廓曲线轨迹以及更复杂曲线轨迹的移动。由于插补算法的稳定性、可靠性，整个运动动作流畅，不卡顿，位置误差不超过一个脉冲。
66.请参看图3，该自动控制系统还包括：传感器60；所述自动控制芯片还包括i/o通道24，所述传感器60与i/o通道23电性连接。
67.示例性地，自动控制芯片的运动执行模块20外接多通道的i/o通道23 接口(input/output:信息处理系统输入输出接口)，每个接口连接一个传感器60，具体地，通道数量为4～8个，可支持12位数据模拟量采集。
68.可选地，传感器60采集12位的模拟量位置信息、模拟量温度信息、电机50电流和电压模拟量等外部控制信息，经滤波、放大处理后，再经模数转换，转换为运动执行模块20能识别的12位有效数字量信号。运动执行模块20会将这些数据暂时存储在第二临时存储模块22的ddr3 sdram 数据存储器中，运动执行模块20通过存储器接口逐一访问，读取数据，并将这些采集数据通过第二高速网络通讯接口模块12和第三高速网络通讯接口模块21电路传输给arm控制模块10，arm控制模块10进行相应运算，运算后下发数据指令进行下一步的控制。实现了自动控制系统总采样频率为5120hz，每一通道的采样频率为1280hz。
69.综上，本技术实施例提供一种自动控制芯片及系统，该自动控制芯片包括arm控制模块10、运动执行模块20和第一高速网络通讯接口模块11、第二高速网络通讯接口模块12和第三高速网络通讯接口模块21。自动控制系统包括自动控制芯片与电子终端40、电机50和传感器60等外部设备。运动执行模块20可直接运行arm控制模块10内部移植的控制指令控制电机50完成指令操作，也可读取传感器60输入数据，经arm控制模块10 运算处理后，实时调整电机50的运动状态。该自动控制芯片可以实现与计算机相连进行控制，也可以脱机运行实现自动控制。arm控制模块10通过第二高速网络通讯接口模块12和第三高速网络通讯接口模块21与运动执行模块20完成数据的交互通讯，降低了时延，提高了系统控制的实时性。新设计的高速网络通讯接口模块，通过在自动控制芯片上直接与arm控制模块10通讯，增强了交互性，减少了连接故障。
70.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。