专利名称：具有运动控制与数字通信核心的多工处理器的制作方法
技术领域：
本实用新型系涉及一种多工处理器，尤其涉及一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器。
背景技术：
资讯产业的持续进步与网络通讯技术的大幅提升，使得以即时通讯介面为基础的新一代工业自动化设备快速而蓬勃地发展。传统的自动化设备与机床所使用的控制技术面临着多轴同步与即时性能不佳、解析度不足、配线繁多及杂讯干扰等问题。鉴于上述的发展趋势，对于机床传输数据的技术需求与技术目标均应达到一、即时性必须在固定的周期内完成传输控制命令，因此传输周期须限制在0. Ims至5ms以内； 二、有弹性可选择非周期性的传送接收伺服命令、伺服驱动参数与周边I/O数据。三、抗干扰性通过数字传输并加入差错检测码的机制，降低杂讯干扰。由于在传统控制器与驱动器的控制架构下，很难由外界控制器读取并即时调整伺服参数，没有办法通过传统配线方式来读取这些参数，也就没有办法使控制器获得这些参数，无法进行自我检测与调整。此外，传统的控制卡及驱动器的连接目前相当繁琐，控制卡在送出电压命令时需将CPU运算的数字数据通过模数转换器转成电压，而在进入驱动器后，因驱动器也是采用DSP运作，又需将电压命令转为数字，这样，现有技术除了需要应用模数转换器从而提高了成本外，还在数据的两次转换过程中增加了转换误差。此外，现有技术以x86电脑架构为基础的运动控制通过汇流排ISA介面或PCI介面来与运动控制卡相接，由于运动控制卡价格昂贵，导致整体的生产成本很高；且因采用外加运动控制卡的方式，使得运动控制主机体积很大，同时，当机床遇到较大的震动时，往往会使传输的信号发生错误。有鉴于此，在综合考虑成本、体积以及稳定度的前提下，一种能降低生产成本、缩小主机体积并保持主机稳定度的运动控制方式，成为业界亟需发展研究的目标。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于提供一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，提供一晶粒上的中央处理单元进行运算，另一晶粒上的运动控制单元及数字通信单元同步根据程序通过运动控制与时序控制来驱动装置的动作。本实用新型的另一目的在于提供一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，为了解决传统伺服控制发展中所遇到的诸多困难，如过多的配线、解析度不足、同步性、 即时性、杂讯干扰等问题，利用串联式伺服运动控制通过即时通讯协议，发展速度更高精度更高的伺服控制。本实用新型的另一目的在于，在一块多工处理器内实现对称多处理架构，能在进行运动控制进程的同时，又能并行执行其他不同的进程。本实用新型的又一目的在于提供一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，利用通讯协议使其具有分散式控制以及容错、可靠和故障诊断的优越功能。本实用新型的再一目的在于提供一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，所述通讯介面能利用演算法来补偿网络节点间的数据传输延迟所造成的时脉偏移 (skew)ο可达成上述实用新型目的的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，具有多个晶粒，还具有与每一晶粒相连接的连接元件的封装基板，确定即时控制程序的第一晶粒为即时控制端的中央处理单元，而第二晶粒中嵌有数字通信单元与执行所述即时控制程序、将得到的运动参数通过所述数字通信单元和数据传输介面发送到装置来驱动其动作的运动控制单元。
图1为本实用新型提供的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器的示意图；图2为本实用新型提供的数字通信单元与装置传输数据的示意图；图3为包含视频图形阵列的第一晶粒的示意图；图4为包含视频图形阵列的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图；图5为包含网络单元的第一晶粒的示意图；图6为包含网络单元的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图；图7为包含视频图形阵列与网络单元的第一晶粒的示意图；图8为包含视频图形阵列与网络单元的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图。主要元件符号说明1处理器；11第一晶粒；12第二晶粒；2中央处理单元；3运动控制单元；4连接元件；5数字通信单元；6装置；7通讯介面；8视频图形阵列；9网络单元。
具体实施方式
图1为本实用新型提供的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器的示意图，图2为本实用新型提供的数字通信单元与装置传输数据的示意图。请参阅图1与图2， 本实用新型所提供的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器1，具有多个晶粒，还具有与每一晶粒相连接的连接元件4的封装基板，其中，第一晶粒11作为即时控制端的中央处理单元2，用于确定即时控制程序，而第二晶粒12中嵌有运动控制单元3与数字通信单元5，其中的运动控制单元3用于执行即时控制程序，得到运动参数，并将该运动参数通过数字通信单元5以及数据传输介面发送到装置6，来驱动装置6的动作，这里，数字通信单元5与装置6之间是以通讯介面7作为数据传输介面的。在图1的多工处理器1中，包括一封装基板、第一晶粒11以及第二晶粒12之间的连接元件4。封装基板可用于设置晶粒，即将晶粒设置于封装基板上，封装基板还可以用于设置晶粒之间的连接元件4，即将连接元件4装设于封装基板上，另外，包含于封装基板内的被动元件、电晶体或者其他积体电路间的连接也可以设置于封装基板上。在应用本实用新型的不同实施例中，运动控制单元3(即具有运动控制功能的电路)、数字通信单元5(即数字通信传输电路)可位于同一晶粒中，也可位于同一封装上分离的晶粒中，晶粒连接至封装基板上的技术可采用打线接合技术或卷带晶粒自动接合技术(TAB)。在本实用新型中，多工处理器1可以为一个双晶粒核心处理器1，也可以为一个多晶粒核心处理器，还可以为一个单一晶粒上包括两个以上的处理器。中央处理单元2是晶粒进行数据运算的核心，用于解析运动和控制命令，产生和处理各类运算指令；运动控制单元3则执行前述中央处理单元2解析命令所得到的程序，产生运动参数，以对装置6进行运动路径规划及运动参数控制；而数字通信单元5及数据传输介面则将运动控制单元3所进行的规划及设定的运动参数数据输出至装置6，按照时序来控制切换程序的输入/输出状态，使程序得以流畅地执行，从而对装置6的运动进行控制。如图1所示，中央处理单元 2接收输入的程序，该程序包括基本控制命令及运动控制命令，基本控制命令为使用者所下达的命令，运动控制命令则用于设定机床的定位轴向、移动速度以及转向角度等运动参数。请参阅图2，本实用新型在第二晶粒12中直接嵌入运动控制单元3与数字通信单元5，进而驱动装置6的动作，而前述的装置6可以为一个驱动器，如马达等元件，其中， 运动控制单元3用于执行程序，产生运动参数，利用数字通信单元5及数据传输介面，即通讯介面7，将运动参数发送到驱动器的运动控制输入端，，从而将运动参数作为驱动器运动控制的输入命令，进而控制驱动器的工作。数字通信单元5可产生符合以太网标准的帧 (ethernetframes)，即上述的运动参数可以由数字通信单元5转换为符合以太网标准的帧的形式，该帧由数字通信单元5发送至装置6，装置6可以为驱动器，这样，该驱动器可以根据运动参数来工作，从而实现本实用新型控制装置6的动作。为了解决传统伺服控制发展中所遇到诸多困难，如配线过多、解析度不足、同步性、即时性、杂讯干扰等问题，数字通信单元5与装置6，如驱动器，之间以通讯介面7作为数据传输介面来进行数据的传输；采用通讯介面7的另一个重要原因为，数字通信单元5与装置6之间必须使用宽频数字通信，以达到零传输误差、高回应性以及在线参数调整的功能要求；此外，数字通信单元5与装置6 采用主从架构(Master and Slave Architecture)，该架构中，主装置为数字通信单元5，而从装置则是马达的驱动器或各种输入输出装置，用标号6来表示。数字通信单元5 (即主装置)能即时地送出命令与地址，而从装置(如马达的驱动器或各种输入输装置)6根据该地址来判断发送给自身的命令，从而实现命令的接收与执行；上述的通讯介面7以固定周期进行帧的更新与交换，即数字通信单元5通过通讯介面7以固定周期将帧，即运动参数发送至装置6，从而确保数据传送的同步性；并且，数字通信单元5可以进一步包括即时(Real Time)通讯通道，则通讯介面7通过该即时通讯通道来传递纯数字数据和控制参数，或者，数字通信单元进一步包括同步即时(IRT)通讯通道，则通讯介面7通过同步即时通讯通道的精确的时钟同步，在精确相等的时间间隔内将数据传输至装置6。为了提高数据传输速度，本实用新型中，利用数字通信单元将运动参数转换为符合以太网标准的帧的形式，并且通过通讯介面以固定周期将帧，即运动参数，发送到装置6，这样，本实用新型中的数据在传输过程中保持了有规律的同步，前述通讯介面传输帧的固定周期可以达到微秒级的精度。由于第二晶粒12可同时执行多工处理，能兼顾运动控制与时序控制来驱动装置6 的动作，而运动控制单元3与数字通信单元5可设定控制时序，进而设定运动控制参数来实现精确控制装置6的动作，因此，利用本实用新型可进行精确的运动控制，需要进行精确运动控制的领域相当广泛，但凡半导体设备、CNC机床、产业机械等都离不开使用运动控制单元3与逻辑控制单元的范畴，本实用新型进一步可以应用在基于PC机(PC-Based)的运动控制系统，就进一步具有了低成本、模组化设计、增加系统弹性、降低维修困难度等优点。图3为包含视频图形阵列的第一晶粒的示意图。如图3所示，第一晶粒11上进一步包括视频图形阵列(VGA)8，该视频图形阵列8用于处理视频影像的运算，即当输入的程序中含有视频图形资料的运算时，均由视频图形阵列8负责对其进行处理和运算，这样可以有效减少中央处理单元2的运算负担，使得运动控制晶片的整体运作更有效率。图4为包含视频图形阵列的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图，如图4所示，第一晶粒11以数字通信单元5与装置6相互传输数据，其数字通信单元5、装置6、及视频图形阵列8其工作原理与上述说明相同。图5为包含网络单元的第一晶粒的示意图，如图5所示，第一晶粒11进一步包括网络单元9，该网络单元9由以太网(Ethernet)、或一 RS232、一 RS422、一 RS485、或一 CAN 汇流排构成，用于处理网络通讯的运算，当输入的程序包含网络通讯数据时，其运算就由网络单元9来进行处理，利用网络单元9可进行即时数据的交互。图6为包含网络单元的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图，如图6所示，第一晶粒11以数字通信单元5与装置6相互传输数据，其数字通信单元5、装置6、及网络单元9的工作原理也与上述说明相同。图7为包含视频图形阵列与网络单元的第一晶粒的示意图，如图7所示，第一晶粒 11上进一步包括视频图形阵列8与网络单元9，视频图形阵列8与网络单元9的功能如上面所述，为一多处理(Symmetrical Multi-Processing, SMP)架构，能在进行运动控制进程的同时，并行执行视频图形数据运算和处理网络通讯运算的进程，以使处理器1具有多处理架构的功效。图8为包含视频图形阵列与网络单元的第一晶粒以数字通信单元与装置传输数据的示意图，如图8所示，第一晶粒11以数字通信单元5与装置6传输数据，其中，数字通信单元5、装置6、视频图形阵列8及网络单元9的工作原理也与上述说明相同。与现有技术比较，本实用新型所提供的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器具有下列的优点1.本实用新型将运动控制单元与数字通信单元整合于第二晶粒，与现有技术中使用的外部运动控制卡结合外部数字通信卡的方式相比，大大降低了成本，减小了整机体积， 并且避免了因加工震动造成的错误信号产生。2.本实用新型中，数字通信单元与装置之间使用通讯介面来传输数据，避免了配线过多、解析度不足、同步性、即时性、杂讯干扰等问题。以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，具有多个晶粒，还具有与每一晶粒相连接的连接元件的封装基板，其特征在于，确定即时控制程序的第一晶粒为即时控制端的中央处理单元，第二晶粒中嵌有数字通信单元与执行所述即时控制程序、将得到的运动参数通过所述数字通信单元和数据传输介面发送到装置来驱动其动作的运动控制单元。
2.如权利要求1所述的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，其特征在于，所述装置为一驱动器；所述运动控制单元用于，将所述运动参数通过所述数字通信单元以及数据传输介面发送到所述驱动器的运动控制输入端，用于控制所述驱动器的工作。
3.如权利要求1所述的具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，其特征在于，所述第一晶粒进一步包括网络单元，所述网络单元用于处理网络通讯的运算。
专利摘要一种具有运动控制与数字通信核心的多工处理器，该处理器具有多个晶粒，还具有与每一晶粒相连接的连接元件的封装基板，确定即时控制程序的第一晶粒为即时控制端的中央处理单元，第二晶粒中嵌有数字通信单元与执行所述即时控制程序、将得到的运动参数通过所述数字通信单元和数据传输介面发送到装置来驱动其动作的运动控制单元。
文档编号G06F15/80GK202018653SQ201020652368
公开日2011年10月26日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者施正修 申请人:宝元数控精密股份有限公司