基于龙芯处理器和fpga技术的嵌入式控制器的制作方法

专利名称：基于龙芯处理器和fpga技术的嵌入式控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及嵌入式工业控制技术领域，尤其涉及一种用于机器人控制的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器。
背景技术：
机器人是自动执行工作的机器装置，属于工业控制技术范畴。机器人既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。 机器人的所有行动是在机器人控制器的指导下完成，该机器人嵌入式控制器包括中央处理器，中央处理器通过北桥芯片和一些功能性外围设备扩展成为一个自动化控制系统，功能性外围设备可由各种信息输入单元组成，信息输入单元用来感知周边环境并将信息输入到控制器的中央处理器，在中央处理器和北桥芯片的协作下控制机器人动作的执行构件来完成预先安排的工作任务。机器人在实际的工作过程中需要由软件和硬件同时配合工作，并且最好要具备软硬件实时可调控动能，以实现机械人的多功能转换。
在现有技术中，常见的嵌入式控制器有DSP处理器、ARM处理器、PowerPC处理器、 x86处理器和MIPS处理器等，这些嵌入式控制器已经广泛应用于在航天、精密仪器、工业控制、机器人、交通系统、家用电器、医疗设备、通信设施和传感器等控制场合。DSP处理器、ARM 处理器、PowerPC处理器、x86处理器和MIPS处理器等嵌入式控制器均属于国外引进的先进技术，目前，国内在机器人控制技术领域上均采用上述控制器中的一种，因其作为嵌入式控制器控制机器人具有处理和反应速度快、控制性能好、精准性高的优点；但是，基于此类嵌入式控制器研发机器人控制器成本高，中央处理器的功耗高、芯片价格昂贵；并且，这些中央处理器的底层技术被少数公司垄断，使底层开发难度高，在工业设计开发中周期长，缺乏灵活性，这些都增加了机械人控制器的生产成本。发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有机器人控制器基于国外高昂引进技术上存在生产成本高、设计周期长的问题，提供了一种生产成本低、设计周期短、通用性强的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器。
为解决上述问题，本发明的技术方案是
一种基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，所述控制器包括中央处理器、 北桥芯片和功能性外围设备，所述中央处理器为以Linux为操作系统的龙芯处理器，北桥芯片为具有可编程控制功能的FPGA芯片，龙芯处理器通过SYSAD总线接口与FPGA芯片相连，FPGA芯片上扩展有PCI总线接口，PCI总线接口与功能性外围设备相连。
优选地，所述FPGA芯片上连接有基本输入输出系统、闪存、串口和用于功能性扩展的32位LOCAL BUS总线接口，PCI总线接口为32位总线接口，PCI总线接口和LOCAL BUS 总线接口分别连接扩展有连接插座，所述PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口支持主从方式通讯。中央处理器通过FPGA芯片设有PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口，通过PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口可扩展多个功能模块，为机器人控制器提供丰富的接口功能和外围设备。PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口支持的主从方式使多个模块之间的数据传输交换互不影响，确保了传输的可靠性。
优选地，所述SYSAD总线接口通过Cross Bar方式进行数据交换，所述FPGA芯片上连接有用于对地址空间进行译码的仲裁器和用于解释SYSAD总线协议的CPU接口模块。 Cross Bar方式即交叉互连方式的数据传输效率高，使各芯片上不同模块之间的数据传输能达到最大的传输率。仲裁器中包含多个寄存器，各寄存器有高低级别之分，进程的地址空间通过挂接不同级别寄存器上来区分进程的优先级，使资源平均配备。
优选地，所述功能性外围设备包括USB接口、显示器、键盘、传感器、以太网接口、 供电接口、GPIO和通信装置中的一种或几种。
优选地，所述功能性外围设备为由FPGA芯片指示动作的伺服驱动器、伺服电机和执行构件，伺服驱动器与FPGA芯片相连，伺服驱动器顺次与伺服电机和执行构件相连，所述FPGA芯片和伺服电机连接有反馈电路。
本发明的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，采用具有我国自主知识产权的龙芯系列处理器代替了以往国外引进的处理器，龙芯系列处理器通过北桥芯片和功能性外围设备扩展成为一个自动化控制系统，其中FPGA芯片作为龙芯处理器的北桥芯片， 以此实现机器人的自动化控制功能。龙芯处理器上采用开源的Linux操作系统，系统可方便的采用第三方应用软件，并且降低了底层开发的难度，缩短了设计周期。本发明的设计可广泛应用于各种机器人自动化控制领域，具有生产成本低、可靠性高、通用性强、扩展性好和反应时间短的特点。


图1是本发明基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的原理框图。
图2是本发明基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的扩展控制原理框图。
图3是本发明基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的3轴控制系统的原理框图。
图4是本发明基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的3轴控制系统功能原理框图。
图5是本发明基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器整个系统的设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1-2，本发明的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器包括中央处理器CPU、北桥芯片和功能性外围设备。中央处理器可采用目前广泛使用的龙芯1号处理器或龙芯2号处理器，龙芯1号处理器为32位处理器，龙芯1号CPU的IP核具有高度灵活的可配置性，方便集成各种标准接口。龙芯2号处理器中以龙芯2E或2F系列的处理器为例， 龙芯2F处理器为龙芯2E处理器的升级版，本发明中以龙芯2E处理器为例，龙芯2E处理器(Loongson 2E)是一款64位片内集成DDR(动态随机存储器)内存控制的高性能处理器，适合应用于高端嵌入式领域。北桥芯片采用Altera公司的FPGA(现场可编程门阵列)芯片来实现，FPGA芯片具有可编程性的特点，在控制器的软件和硬件设计过程中可缩短周期，并且芯片经济实用。功能性外围设备可以为USB接口、显示器、键盘、传感器、以太网接口、供电接口和通信装置等符合用户操作习惯的功能性扩展器件，也可以为其它功能性控制或驱动装置。控制器可根据功能的要求，设置不同功能的外围设备组合来完成预先设定的工作任务。如可以设置各类温度传感器、陀螺仪、运动状态测量装置、触觉、视觉等感知机器人的工作环境的器件来辅助控制器的控制。
龙芯2E处理器上集成了 DDR内存控制器，因此设计控制器的北桥芯片与龙芯2E 处理器和其它外部设备的通信。龙芯2E处理器为控制器的主控件，龙芯2E处理器通过 SYSAD总线与FPGA芯片相连，SYSAD总线通过Cross Bar方式即交叉互连方式进行数据交换，Cross Bar方式的数据传输效率高，使各芯片上不同模块之间的数据传输能达到最大的传输率。所述FPGA芯片上连接有用于对地址空间进行译码的仲裁器和用于解释SYSAD总线协议的CPU接口模块。仲裁器中包含多个寄存器，各寄存器有高低级别之分，进程的地址空间通过挂接不同级别寄存器上来区分进程的优先级，使资源平均配备。通过忡裁器对地址空间进行译码，将处理器的访问操作发给不同的外部设备，CPU接口模块负责解释SYSAD 总线协议，与SYSAD总线进行交互，实现龙芯2E处理器与FPGA芯片之间的通讯。
龙芯处理器与FPGA芯片之间的连接也可以是由32位龙芯1号处理器与FPGA芯片的连接，通过龙芯1号处理器的EBI (External Bus Interface)接口与FPGA芯片相连。 一般的32位微处理设有EBI接口模块，EBI接口模块是用来传递龙芯内部的存储控制器和外部设备之间的数据传递。这些外部存储控制器能够处理多种外部存储件和周边设备，如 SRAM, PROM, EEPROM, flash 禾口 SDRAM。
FPGA芯片上扩展有PCI总线接口，PCI总线接口与功能性外围设备相连。FPGA芯片上还连接有基本输入输出系统、闪存、串口、32位PCI总线接口和32位LOCAL BUS总线接口。PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口分别连接有100脚的扩展连接插座，以方便进行功能扩展。同时根据嵌入式的特点实现PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口支持主从方式通讯、支持中继控制器和北桥功能寄存器等模块。中央处理器CPU通过FPGA芯片设置的PCI 总线接口和LOCAL BUS总线接口可扩展多个功能模块，为机器人控制器提供丰富的接口功能和外围设备，其它辅助功能如电源输入和GPIO等也通过这两个接口扩展。PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口支持的主从方式使多个模块之间的数据传输交换互不影响，确保了传输的可靠性。中央处理器CPU的时钟信号由外部一有源晶振输入，利用了 FPGA上的锁相环资源来产生系统所需要的所有时钟信号。PCI总线和LOCAL BUS总线是常用的总线，因此可方便利用原有的设计进行功能扩展。
本发明中，功能性外围设备主要为由FPGA芯片指示动作的伺服驱动器、伺服电机和执行构件。伺服驱动器通过PCI总线接口与FPGA芯片相连，伺服驱动器顺次与伺服电机和执行构件相连，所述FPGA芯片和伺服电机连接有反馈电路。FPGA芯片根据中央处理器的输出指令执行实时操作任务并指示伺服驱动器动作，FPGA芯片在控制过程中产生脉冲信号，伺服驱动器根据脉冲信号做出相应响应，同时伺服驱动器将自身的工作状况反映给 FPGA芯片，伺服驱动器驱动伺服电机工作，并带动执行构件工作，FPGA芯片与伺服电机之间连接有反馈电路。
参看图3-4，如在多轴控制运动系统中，本发明可以进行各轴独立的定位控制和速度控制，也可以在多轴中任意选择其中的2轴或3轴进行圆弧、直线插补。下面以3轴控制运动系统为例详细说明本发明，通过本发明中的FPGA芯片连接三组伺服驱动器、伺服电机和执行构件，完成3轴控制的功能，所述执行构件为X轴控制模块、Y轴控制模块和Z轴控制模块。3轴控制运动系统中的数据在龙芯2E处理器和FPGA芯片处理，将处理结果传送于伺服驱动器、伺服电机和X轴、Y轴和Z轴控制模块。3轴控制运动系统在龙芯2E处理器和 FPGA芯片处理中完成数据计算处理的功能模块包括数据处理模块、中断信号发生器、插补控制模块、2轴或3轴直线插补计算模块、2轴圆弧插补计算模块、2轴或3轴位模式插补计算模块、X轴控制模块、Y轴控制模块、Z轴控制模块和脉冲隔离模块。数据处理模块与插补控制模块彼此相连并通讯，插补控制模块分别与2轴或3轴直线插补计算模块、2轴圆弧插补计算模块、2轴或3轴位模式插补计算模块相连并控制其数据计算，2轴或3轴直线插补计算模块、2轴圆弧插补计算模块、2轴或3轴位模式插补计算模块的计算结果以脉冲的方式经脉冲隔离模块隔离后发送给X轴、Y轴和Z轴控制模块控制各轴运动。X轴控制模块、 Y轴控制模块和Z轴控制模块将数据信息分别反馈给插补控制模块和数据处理模块进行数据验证和校准处理，X轴控制模块、Y轴控制模块和Z轴控制模块和数据处理模块分别与中断信号发生器相连。在整个系统的处理过程，龙芯2E处理器和FPGA芯片主要完成数据的处理、控制执行、协调管理等功能，X轴控制模块、Y轴控制模块、Z轴控制模块分别作用于X 轴、Y轴和Z轴并控制其动作的过程。利用基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器可以实现多轴控制系统朝高速度、高精度、多功能的方向发展，可以实现点位运动控制、连续轨迹运动控制等。在实际的工业机器人控制过程中，本发明可根据控制的实际需要扩展多组伺服驱动器、伺服电机和执行构件，如在关节式工业机器人控制器中需要至少六组的伺服驱动器、伺服电机和执行构件，通过FPGA芯片上的PCI总线接口扩展六组进行控制，也可根据控制的需要进行8轴以上的扩展。多轴控制运动系统的设计和控制方式可参照上述3 轴控制运动系统，在此不再赘述。
龙芯2E处理器上采用开源的Linux操作系统，该操作系统具有在世界范围内大批的第三方软件开发设计工作者提供各种各样优质服务的便利。Linux内核的模块化结构可以使驱动单元在运行期间实时自动衔接和组合。Glibe库是Linux系统最底层的运行库，为其上的应用程序提供系统接口以及其它功能函数。控制器的整一个系统在设计初始时被被划分为软件和硬件两大部分，软件和硬件的开发同时进行。系统必须根据应用需求对硬件和软件进行裁剪，以满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积和功耗等要求。参看图5，本发明中设计的方式为首先拟定系统要求的技术参数，包括系统硬件参数和系统软件参数的分析；其次，按照分析的系统硬件参数和系统软件参数分别设计相应的初始硬件和初始软件，将设计好的初始硬件和初始软件的参数进行模拟试验；然后根据试验结果设计整体硬件和整体软件，并进行系统参数仿真试验；最后再进行硬件制造装配和软件设计调试以及系统集成参数测试，以此完成系统的设计。因此，在设计中可以及时协调软件和硬件之间的衔接关系。
权利要求
1.一种基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，所述控制器包括中央处理器、 北桥芯片和功能性外围设备，其特征在于，所述中央处理器为以Linux为操作系统的龙芯处理器，北桥芯片为具有可编程控制功能的FPGA芯片，龙芯处理器通过SYSAD总线接口与 FPGA芯片相连，FPGA芯片上扩展有PCI总线接口，PCI总线接口与功能性外围设备相连。
2.根据权利要求1所述的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，其特征在于， 所述FPGA芯片上连接有基本输入输出系统、闪存、串口和用于功能性扩展的32位LOCAL BUS总线接口，PCI总线接口为32位总线接口，PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口分别扩展有连接插座，所述PCI总线接口和LOCAL BUS总线接口支持主从方式通讯。
3.根据权利要求1所述的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，其特征在于， 所述SYSAD总线接口通过Cross Bar方式进行数据交换，所述FPGA芯片上连接有用于对地址空间进行译码的仲裁器和用于解释SYSAD总线协议的CPU接口模块。
4.根据权利要求1所述的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，其特征在于， 所述功能性外围设备包括USB接口、显示器、键盘、传感器、以太网接口、供电接口、GPIO和通信装置中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，其特征在于， 所述功能性外围设备为由FPGA芯片指示动作的伺服驱动器、伺服电机和执行构件，伺服驱动器与FPGA芯片相连，伺服驱动器顺次与伺服电机和执行构件相连，所述FPGA芯片和伺服电机连接有反馈电路。
全文摘要
本发明涉及一种基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器，控制器包括中央处理器、北桥芯片和功能性外围设备，中央处理器为以Linux为操作系统的龙芯处理器，北桥芯片为具有可编程控制功能的FPGA芯片，龙芯处理器通过SYSAD总线接口与FPGA芯片相连，FPGA芯片上扩展有PCI总线接口，PCI总线接口与功能性外围设备相连。本发明采用具有我国自主知识产权的龙芯系列处理器代替了以往国外引进的处理器，通过FPGA芯片和功能性外围设备扩展成为一个自动化控制系统。龙芯处理器上采用开源的Linux操作系统，系统可方便的采用第三方应用软件，并且降低了底层开发的难度，缩短了设计周期。
文档编号G05B19/418GK102520689SQ20111041793
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者高建华 申请人:杭州英若飞科技有限公司