本發明屬于工業機器人控制技術領域，具體涉及一種基于雙cpu+fpga的開放式工業機器人控制器架構的設計與實現。

背景技術：

開放式工業機器人控制器對機器人技術的應用和研究具有重要促進作用。在應用方面，現代制造業對工業機器人提出了更高的要求，需要其在生產過程中具有更多的柔性和更易用的編程環境，適應不同的應用場合和多品種小批量的生產。這些都要求機器人控制器具有開放性，能夠方便地接入用戶自己的外部設備，并進行工藝流程控制程序的開發。而在研究方面，對機器人控制器的開放性需求更為迫切，研究人員希望有一個開放式的機器人控制器，能夠在上面集成各種外部傳感器并進行控制算法的開發以提高機器人系統的性能和智能水平。

然而，目前商品化的機器人系統均采用封閉結構的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eeprom中，這種專用系統很難集成外部硬件，而且修改封閉系統的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數情況下技術上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和開發開放結構的機器人控制器。

技術實現要素：

為了克服機器人專用控制器的封閉性問題，本發明提出了一種基于雙cpu+fpga的開放式工業機器人控制器架構的設計和實現方法。主cpu通過調用可重構標準功能庫，實現工業機器人的產品應用，通過系統重構和二次開發，實現特殊工藝要求；輔cpu通過數據共享，既可實現產品的補償控制，也可全部接管機器人的控制，用于算法研究和功能模塊開發，達到分級高度開放的目標。由于共享數據采用同一地址編碼，輔cpu程序可以生成被主cpu程序直接執行的機器代碼，實現功能模塊的快速移植和重構。fpga芯片引腳數量多，可為各種外部設備提供接口，同時又能方便地進行時序電路的設計。fpga中設計的雙端口ram結構具有兩套完全獨立的數據線、地址線和讀寫控制線，可使兩個cpu分時獨立訪問其內部ram資源，并且雙cpu同時訪問時的仲裁邏輯電路全部集成在雙端口ram內部，簡化了電路的設計。

為達到上述目的，本發明所述的基于雙cpu+fpga架構的開放式工業機器人控制器的實現方法主要包括以下步驟：

1)搭建開放式機器人控制器的外部接口電路，包括hmi接口、擴展通訊接口、jtag接口、以太網/工業現場總線接口、傳感器接口、di/do/ai/ao/plc接口、伺服總線接口。hmi接口，用于連接手持編程示教器或者pc編程示教器到主cpu；擴展通訊接口，用于連接外部擴展設備/ros-i等到fpga；jtag接口，用于從pc端下載程序到輔cpu；以太網/工業現場總線接口，用于連接pc至輔cpu；傳感器接口，用于連接各種外部傳感器到fpga；di/do/ai/ao/plc接口，用于連接外部i/o至fpga；伺服總線接口，用于連接伺服單元至fpga。

2)fpga內部擴展總線控制模塊與擴展通訊接口相連接，fpga內部存儲器接口控制模塊與ram/rom存儲器相連接，fpga內部io控制接口模塊與di/do/ai/ao/plc接口相連接，fpga內部傳感器接口控制模塊與傳感器接口相連接，fpga內部運動控制接口模塊與高速伺服總線接口相連接。內部總線包括內部總線a和內部總線b以及相應的總線控制器，內部總線a將各控制模塊與主cpu相連接；內部總線b將各控制模塊與輔cpu相連接。

3)在主cpu和輔cpu中搭建系統軟件。主cpu和輔cpu的系統軟件均采用實時分層控制和模塊化設計方法，將軟件劃分為不同功能模塊。系統軟件通過定時器，實現實時性分級控制，最小控制周期250μs，實現運動控制的高實時性和同步性，并按實時性分為多種系統模塊，可方便實現機器人控制系統的重構，根據不同用戶要求，實現分級開放，主cpu具有可重構的控制功能庫，采用定制調度方式，提高系統穩定性和可靠性，通過參數設置實現控制功能選擇，適應不同的工藝和特殊控制要求，輔cpu輔cpu的所有端口向用戶開放，可實現底層控制軟件的重構，添加或替換原控制模塊，實現高度開放。

本發明具有以下有益效果：

在本發明提出的基于雙cpu+fpga架構的開放式工業機器人控制器的實現方法中，主cpu可通過軟件控制模塊庫，實現機器人的常規運動控制功能，可通過開放式軟件平臺實現系統重構、特殊功能模塊設計、二次開發等，實現低等級的開放，降低開發難度，滿足機器人產品的可靠性、靈活性和經濟性要求。輔cpu的所有端口向用戶開放，用于高級開發、性能測試、功能擴展等，通過主cpu設置相關參數，輔cpu可接管整個系統的控制，也可在主cpu控制的基礎上實現運動的附加控制(如補償，前饋等)，由于和主cpu共享系統變量(如位置、速度、電流、控制參數和控制輸出)，還可以實現系統運動控制特性的在線測試、故障診斷以及功能擴展等，由于共享數據采用同一地址編碼，輔cpu程序可以生成被主cpu程序直接執行的機器代碼，實現功能模塊的快速移植和重構。

附圖說明

圖1為本發明中開放式機器人控制器硬件總體架構。

圖2為本發明中雙端口開放式機器人控制器fpga結構原理圖。

圖3為本發明中開放式機器人控制系統雙端口運動控制模塊結構原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：

本發明所述的基于fpga和雙端口ram的開放式雙cpu機器人控制器的實現方法，主要包括以下步驟：

1)搭建開放式機器人控制器的外部接口電路。包括hmi接口，用于連接手持編程示教器或者pc編程示教器到主cpu；擴展通訊接口，用于連接外部擴展設備/ros-i等到fpga；jtag接口，用于從pc端下載程序到輔cpu；以太網/工業現場總線接口，用于連接pc至輔cpu；傳感器接口，用于連接各種外部傳感器到fpga；di/do/ai/ao/plc接口，用于連接外部i/o至fpga；伺服總線接口，用于連接伺服單元至fpga。通過各種外部接口電路滿足機器人控制器開放性的要求，方便各種通訊方式的建立和各種傳感器、i/o設備、伺服單元的接入。以fpga作為橋梁連接主/輔cpu和外部接口電路，通過fpga及其雙端口ram塊，實現兩個cpu的數據共享和協同控制。

2)在fpga中搭建接口控制模塊和內部總線。接口控制模塊包括與擴展通訊接口相連的擴展總線控制模塊，與ram/rom相連的存儲器接口控制模塊，與di/do/ai/ao/plc接口相連的io控制接口模塊，與傳感器接口相連的傳感器接口控制模塊，與高速伺服總線接口相連的運動控制接口模塊。內部總線包括內部總線a和內部總線b以及相應的總線控制器，內部總線a將各控制模塊與主cpu相連，并由內部總線控制器a控制；內部總線b將各控制模塊與輔cpu相連，并由內部總線控制器b控制。內部總線a與內部總線b通過雙端口ram塊共享系統反饋變量，各控制模塊均采用雙端口設計，并在兩個cpu中采用相同的地址編碼，為程序移植提供方便。

3)在主cpu和輔cpu中搭建系統軟件。主cpu和輔cpu的系統軟件均采用實時分層控制和模塊化設計方法，將軟件劃分為不同功能模塊。系統軟件通過定時器，實現實時性分級控制，最小控制周期250μs，實現運動控制的高實時性和同步性，并按實時性分為多種系統模塊，可方便實現機器人控制系統的重構，根據不同用戶要求，實現分級開放，主cpu具有可重構的控制功能庫，采用定制調度方式，提高系統穩定性和可靠性，通過參數設置實現控制功能選擇，適應不同的工藝和特殊控制要求，輔cpu輔cpu的所有端口向用戶開放，可實現底層控制軟件的重構，添加或替換原控制模塊，實現高度開放。

實施例一

參考圖1，以接口擴展為例對控制器的開放性進行說明。ros-i擴展接口實施方案：ros-i的controllerlayer是機器人控制器的生產廠商接口層，通過本層接口和tcp協議，就可實現trajectory消息由上層ros-i傳送到底層控制器。通過設計解析程序，可以生成相應的位置控制指令，進而實現機器人的控制。這部分接口和功能，可以由控制器的輔cpu實現，為ros-i提供硬件控制器平臺，既可以和主cpu控制部分進行對比研究，也可以充分利用ros-i的研究成果，提高控制器性能。工業總線擴展接口實施方案：ethercat、powerlink、profinet等工業總線采用以太網物理接口，只是通信協議不同，本控制器設計2個以太網接口，連接到fpga，通過fpga編程，實現對不同總線鏈路層協議的支持，通過軟件解析，實現與這些總線的通信。傳感器擴展接口實施方案：市場上觸覺、視覺、力、語音等常用感知傳感器接口和通信協議均有不同，對常用傳感器的輸出信號電氣特性以及接線方式進行分類，提供常用數字總線標準接口:rs485接口、can總線接口等，采用標準的串口協議或can協議，實現多模態感知信號的接入。

實施例二

參考圖2及圖3，以性能測試及仿真技術為例對控制器的開放性進行說明。基于內置信號的測試系統開放式接口技術實施方案：由于本控制器采用雙cpu結構，主要控制參數、控制變量和系統反饋數據共享。輔cpu可按伺服控制周期捕獲機器人控制系統內部全部共享信號，包括：主cpu的各控制環輸出、電機位置、速度、電流等反饋信息以及機器人末端姿位信息，利用同步插補控制信號作為信號采集的觸發信號，可實現最高采集頻率為4khz的數據采集，并通過以太網接口和pc實現實時通信，最高通信速度設計為1khz；通過設計pc端上位機軟件，采用高速數據緩存技術，實現數據的采集和存儲，構建高實時在線測試系統，實現運動過程特征數據的采樣，研究控制器內部信號、參數對工業機器人性能的評價方法，構建機器人運動性能測試與分析系統，為機器人運動特性分析、算法研究、標定、故障診斷等提供基礎。將以太網通信協議開放，可以支持第三方應用開發。快速原型仿真技術實施方案：matlab的simulink是一種常用的用于控制算法研究的工具，通過以太網接口將輔cpu和pc相連，通過研究matlab的硬件支持及通信接口技術，設計pc應用程序，將simulink生成的算法代碼，自動調用相應的編譯工具，生成機器碼，通過以太網傳輸到輔cpu的特定存儲位置，并控制該程序的調用。輔cpu的程序設計采用定時中斷結構，并機器人基本反饋模塊，讀入常用變量，通過接受pc程序數據，讀入到特定位置，再將中斷向量指向該位置，實現控制算法的定時中斷執行。