面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡及二轴平面运动控制方法

摘要

面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡及二轴平面运动控制方法，涉及工业运动控制和平面测绘领域。它是为了解决现有的全自动表面贴装系统的控制卡传输速度慢、可靠性低和精度低的问题，也是为了解决现有的平面运动控制方法不能实时反映被控装置运动状态的问题。它包括总线接口电路、CPLD模块、DSP模块、SRAM缓存模块和下层接口电路。SRAM缓存模块，用于支持大容量的数据存储，在DSP模块内部的软件程序中，采用了同步算法和速度规划算法，同步算法使得同轴的两部电机达到高度同步，使本发明的误差达到微米级。速度规划算法使得电机运动平滑流畅，电机动作速度快，且电机在停止时更加稳定，可靠性高。本发明适用于表面贴装机、贴插机及其类似产品。

说明书

技术领域

本发明涉及工业运动控制和平面测绘领域。

背景技术

全自动表面贴装系统是采用表面贴装技术完成PCB板卡的元器件贴装任务的装置，融合了自动控制、机械设计制造、图像识别、数字信号处理等多个领域的先进技术，是各个部分的有机整体，对运动算法控制、信号处理与传输等的速度、可靠性等性能指标具有较高的要求。因此，全自动贴装系统对其核心运动控制卡尤其有着严格的要求。目前，无法兼顾高速和高可靠性的运动控制卡设计是现有技术存在的主要问题，也是制约国内表面贴装技术发展的重要瓶颈之一。且现有的面向全自动表面贴装系统的平面运动控制方法，不能实时反映被控装置的运动状态，也就是说不能根据被控装置的运动状态，实时调整上位机发送的指令，从而使被控装置完成相应的动作。

发明内容

本发明是为了解决现有的全自动表面贴装系统的控制卡传输速度慢、可靠性低和精度低的问题，也是为了解决现有的平面运动控制方法不能实时反映被控装置运动状态的问题。现提供面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡及二轴平面运动控制方法。

面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡，它包括：总线接口电路、CPLD模块、DSP模块、SRAM缓存模块和下层接口电路；

总线接口电路的地址信号输入端连接CPLD模块地址输出端；总线接口电路的数据信号输入输出端连接CPLD模块的数据信号输出输入端；

SRAM缓存模块的RAM访问控制信号输出端连接CPLD模块的RAM访问控制信号输入端；SRAM缓存模块的RAM数据信号输入输出端连接CPLD模块的RAM数据信号输入输出端；SRAM缓存模块的SRAM地址信号输入端连接CPLD模块的SRAM地址信号输出端；SRAM缓存模块的SRAM数据信号输入端连接CPLD模块的SRAM数据信号输出端；

CPLD模块的外设使能信号输出端连接DSP模块的外设使能信号输入端；CPLD模块的处理器控制信号输入端连接DSP模块的处理器控制信号输出端；CPLD模块的码盘反馈信号输入端连接下层接口电路的码盘反馈信号输出端；CPLD模块的开关状态信号输入端连接下层接口电路的开关状态信号输出端；CPLD模块的PWM信号输入端连接下层接口电路的PWM信号输入端；CPLD模块的脉冲信号输出端DSP模块的脉冲信号输入端；DSP模块的脉冲信号输出端连接下层接口电路的脉冲信号输入端。

CPLD模块包括RAM访问控制模块、地址译码器、数据交换锁存器、脉冲指令生成模块、外设访问控制模块、码盘反馈输入模块、开关状态输入模块、PWM输入模块和脉冲输出模块；

RAM访问控制模块用于将RAM访问控制信号输出至SRAM缓存模块；

所述地址译码器用于对总线接口电路的地址信号进行解析；所述地址译码器还用于将接收的地址信号分别输出至RAM访问控制模块和外设访问控制模块；

所述数据交换锁存器用于存储总线接口电路的数据信号，还用于存储DSP模块输出的DSP控制信号、码盘反馈输入模块输出的码盘反馈信号、开关状态输入模块输出的开关状态信号、PWM输入模块的PWM信号；还用于输出脉冲指令至脉冲指令生成器；

所述脉冲指令生成器用于输出脉冲指令至脉冲输出模块；

外设访问控制模块用于将地址译码器输出的外设地址信号输出至DSP模块；

所述码盘反馈输入模块用于读取下层接口电路输出的码盘反馈信号；

所述开关状态输入模块用于读取下层接口电路输出的开关状态信号；

所述PWM输入模块用于读取下层接口电路输出的PWM信号；

所述脉冲输出模块用于将脉冲指令输出至DSP模块，再由DSP模块将该脉冲信号发送至下层接口电路。

面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤一、上位机通过总线接口电路向CPLD模块发送控制信号，所述CPLD模块的数据交换锁存器接收该控制信号，并将该控制信号发送至SRAM缓存模块，SRAM缓存模块将所述控制信号发送至DSP模块；DSP模块启动定时器中断或外部中断，若是定时器中断，则执行步骤二；若是外部中断，则执行步骤三；

步骤二、定时器中断启动，DSP模块发送所述控制信号至CPLD模块的数据交换锁存器，数据交换锁存器发送脉冲信号至脉冲指令生成器，所述脉冲指令生成器输出脉冲信号至脉冲输出模块，脉冲输出模块输出脉冲信号至DSP模块，再由DSP模块将该脉冲信号发送至下层接口电路，下层接口电路将所述脉冲信号输出至光电隔离，然后通过电机驱动器驱动电机运动；

步骤三、外部中断启动，表明上位机重新通过总线接口电路向CPLD模块发送控制信号，所述CPLD模块的数据交换锁存器接收该控制信号，并将该控制信号发送至SRAM缓存模块，SRAM缓存模块将所述控制信号发送至DSP模块，DSP模块将上位机重新发送的控制信号发送至CPLD模块的数据交换锁存器，数据交换锁存器发送脉冲信号至脉冲指令生成器，所述脉冲指令生成器输出脉冲信号至脉冲输出模块，脉冲输出模块输出脉冲信号至DSP模块，再由DSP模块将该脉冲信号发送至下层接口电路，下层接口电路将所述脉冲信号输出至光电隔离，然后通过电机驱动器驱动电机运动。

步骤四、下层接口电路将电机的运动状态发送至CPLD模块，CPLD模块通过码盘反馈输入模块、开关状态输入模块和PWM输入模块分别将码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号发送至数据交换锁存器，数据交换锁存器将所述码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号存入SRAM缓存模块；同时数据交换锁存器通过总线接口电路将码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号发送至上位机，供上位机读取；

步骤五、上位机根据读取的码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号判断电机的运动状态，并重新发送电机控制指令，重复步骤一。

本发明适用于表面贴装机、贴插机及其类似产品。

本发明所述的面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡，包括总线接口电路、CPLD模块、DSP模块、SRAM缓存模块和下层接口电路，SRAM缓存模块，用于支持大容量的数据存储，可实现DMA传输功能，大大提高了大规模数据传输的速度，相比现有的全自动表面贴装系统的控制卡，传输速度提高了50%以上。在DSP模块内部嵌入的软件采用了同步算法和速度规划算法，同步算法能够使得同轴的两部电机达到高度同步，使本发明的误差达到微米级，精度提高了30%以上；速度规划算法能够使得电机运动平滑流畅，电机动作速度快，且电机在停止时更加稳定，可靠性高，相比现有的全自动表面贴装系统的控制卡，可靠性提高了40%以上。本发明所述的二轴平面运动控制方法，实时地反映了被控装置的运动状态，根据被控装置的运动状态，实时调整上位机发送的指令。

附图说明

图1是面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡的电气原理示意图；

图2是面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡的DSP模块的电气原理示意图；

图3是DSP模块的工作过程流程图；

图4是DSP模块的工作过程中的中断过程流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡，它包括：总线接口电路1、CPLD模块2、DSP模块3、SRAM缓存模块4和下层接口电路5；

总线接口电路1的地址信号输入端连接CPLD模块2地址输出端；总线接口电路1的数据信号输入输出端连接CPLD模块2的数据信号输出输入端；

SRAM缓存模块4的RAM访问控制信号输出端连接CPLD模块2的RAM访问控制信号输入端；SRAM缓存模块4的RAM数据信号输入输出端连接CPLD模块2的RAM数据信号输入输出端；SRAM缓存模块4的SRAM地址信号输入端连接CPLD模块2的SRAM地址信号输出端；SRAM缓存模块4的SRAM数据信号输入端连接CPLD模块2的SRAM数据信号输出端；

CPLD模块2的外设使能信号输出端连接DSP模块3的外设使能信号输入端；CPLD模块2的处理器控制信号输入端连接DSP模块3的处理器控制信号输出端；CPLD模块2的码盘反馈信号输入端连接下层接口电路5的码盘反馈信号输出端；CPLD模块2的开关状态信号输入端连接下层接口电路5的开关状态信号输出端；CPLD模块2的PWM信号输入端连接下层接口电路5的PWM信号输入端；CPLD模块2的脉冲信号输出端连接DSP模块3的脉冲信号输入端；DSP模块3的脉冲信号输出端连接下层接口电路5的脉冲信号输入端。

原理说明：上位机通过总线接口电路与CPLD模块进行数据交换。

CPLD模块将上位机发送的指令数据送至脉冲指令生成器；脉冲指令生成器生成用于驱动电机运动的脉冲信号，并通过脉冲输出模块将该脉冲信号发送至DSP模块3；DSP模块3再通过下层接口电路完成与电机之间的数据传输，使电机根据上位机的控制指令完成相应的动作。

DSP模块是面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡的控制核心，其核心程序用于控制全自动表面贴装系统平面运动的工作状态，使得贴装头能够按照预定的流程实现相应的功能，并提供了各种出错情况下的提示报警和错误处理机制。

SRAM缓存模块是面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡的重要组成部分，除了完成基本的数据存储功能外，还提供数据传输的缓存功能，平衡上位机和DSP模块之间的数据传输；此外，SRAM缓存模块还可实现DMA数据传输，大大提高数据传输效率。

具体实施方式二：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡作进一步说明，本实施方式中，

CPLD模块2包括RAM访问控制模块2-1、地址译码器2-2、数据交换锁存器2-3、脉冲指令生成模块2-4、外设访问控制模块2-5、码盘反馈输入模块2-6、开关状态输入模块2-7、PWM输入模块2-8和脉冲输出模块2-9；

RAM访问控制模块2-1用于将RAM访问控制信号输出至SRAM缓存模块4；

所述地址译码器2-2用于对总线接口电路1的地址信号进行解析；所述地址译码器2-2还用于将接收的地址信号分别输出至RAM访问控制模块2-1和外设访问控制模块2-5；

所述数据交换锁存器2-3用于存储总线接口电路1的数据信号，还用于存储DSP模块3输出的DSP控制信号、码盘反馈输入模块2-6输出的码盘反馈信号、开关状态输入模块2-7输出的开关状态信号、PWM输入模块2-8的PWM信号；还用于输出脉冲指令至脉冲指令生成器2-4；

所述脉冲指令生成器2-4用于输出脉冲指令至脉冲输出模块2-9；

外设访问控制模块2-5用于将地址译码器2-2输出的外设地址信号输出至DSP模块3；

所述码盘反馈输入模块2-6用于读取下层接口电路5输出的码盘反馈信号；

所述开关状态输入模块2-7用于读取下层接口电路5输出的开关状态信号；

所述PWM输入模块2-8用于读取下层接口电路5输出的PWM信号；

所述脉冲输出模块2-9用于将脉冲指令输出至DSP模块3，再由DSP模块3将该脉冲信号发送至下层接口电路5。

原理：地址译码器将上位机发送的地址信息进行译码处理，使板卡上的相应功能模块和外设处于选中状态。数据交换锁存器用来完成上位机和DSP之间的数据交换，并将反馈信息传送给上位机。数据交换锁存器模块能够调度控制信号的传送方向，完成上位机与总线接口电路DSP模块之间的数据交换。外设访问控制模块用于实现完成外设访问的操作时序。RAM访问控制模块用于完成RAM芯片的操作时序。脉冲生成器根据上位机的命令，通过规划算法做出速度规划，生成控制电机的脉冲信号，输出到电机驱动器。码盘反馈信号、PWM信号和开关状态信号都通过数据交换锁存器被上位机读取。

具体实施方式三：本实施所述的面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤一、上位机通过总线接口电路1向CPLD模块2发送控制信号，所述CPLD模块2的数据交换锁存器2-3接收该控制信号，并将该控制信号发送至SRAM缓存模块4，SRAM缓存模块4将所述控制信号发送至DSP模块3；DSP模块3启动定时器中断或外部中断，若是定时器中断，则执行步骤二；若是外部中断，则执行步骤三；

步骤二、定时器中断启动，DSP模块3发送所述控制信号至CPLD模块2的数据交换锁存器2-3，数据交换锁存器2-3发送脉冲信号至脉冲指令生成器2-4，所述脉冲指令生成器2-4输出脉冲信号至脉冲输出模块2-9，脉冲输出模块2-9输出脉冲信号至DSP模块3，再由DSP模块3将该脉冲信号发送至下层接口电路5，下层接口电路5将所述脉冲信号输出至光电隔离，然后通过电机驱动器驱动电机运动；

步骤三、外部中断启动，表明上位机重新通过总线接口电路1向CPLD模块2发送控制信号，所述CPLD模块2的数据交换锁存器2-3接收该控制信号，并将该控制信号发送至SRAM缓存模块4，SRAM缓存模块4将所述控制信号发送至DSP模块3，DSP模块3将上位机重新发送的控制信号发送至CPLD模块2的数据交换锁存器2-3，数据交换锁存器2-3发送脉冲信号至脉冲指令生成器2-4，所述脉冲指令生成器2-4输出脉冲信号至脉冲输出模块2-9，脉冲输出模块2-9输出脉冲信号至DSP模块3，再由DSP模块3将该脉冲信号发送至下层接口电路5，下层接口电路5将所述脉冲信号输出至光电隔离，然后通过电机驱动器驱动电机运动。

步骤四、下层接口电路5将电机的运动状态发送至CPLD模块2，CPLD模块2通过码盘反馈输入模块2-6、开关状态输入模块2-7和PWM输入模块2-8分别将码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号发送至数据交换锁存器2-3，数据交换锁存器2-3将所述码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号存入SRAM缓存模块；同时数据交换锁存器2-3通过总线接口电路将码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号发送至上位机，供上位机读取；

步骤五、上位机根据读取的码盘反馈信号、开关状态信号和PWM信号判断电机的运动状态，并重新发送电机控制指令，重复步骤一。

具体实施方式四：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是为了说明DSP模块的工作过程，其工作过程的步骤如下；

步骤一、初始化系统资源，执行步骤三；

步骤二、初始化GPIO、事件管理器和看门狗；

步骤三、清空RAM，然后执行步骤五；

步骤四、首次读取驱动器状态；

步骤五、设置中断；

步骤六、设置看门狗；

步骤七、等待触发外部中断。

具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是为了说明DSP模块的工作过程中的中断过程，所述中断过程步骤如下：

步骤A1、进入中断过程，判断是否是定时器中断，若是，则执行步骤A2，若否，则执行步骤A10；

步骤A2、读取磁栅尺状态；

步骤A3、DSP自检是否出现故障信息，且DSP判断上位机对电机的控制指令是否执行完毕，若DSP自检出现故障信息，无论上位机对电机的控制指令是否执行完毕，都执行步骤A4；

若DSP自检未出现故障信息，且上位机对电机的控制指令执行完毕，则执行步骤A5；若DSP自检未出现故障信息，上位机对电机的控制指令未执行完毕，则继续等待，直至上位机对电机的控制指令执行完毕，执行步骤A5；

步骤A4、故障状态置位，然后执行步骤A6；

步骤A5、电机完成上位机对电机的控制指令的相关动作；

步骤A6、DSP中电机标志位置故障状态，然后执行步骤A7；

步骤A7、停止电机，然后执行步骤A8；

步骤A8、检测并报告故障信息，然后执行步骤A9；

步骤A9、清看门狗，结束；

步骤A10、判断是否是外部中断，若是，则执行步骤A11，若否，则执行步骤A20；

步骤A11、读取指令；

步骤A12、判断是否是位置指令，若是，则执行位置指令，若否，则执行步骤13；

步骤A13、判断是否是位置复位指令，若是，则电机回至原点，若否，则执行步骤A14；

步骤A14、判断是否是寄存器复位指令，若是，则清空并复位所有的寄存器，若否，则执行步骤A15；

步骤A15、判断是否是传感器清零指令，若是，则清空传感器数值，若否，则执行步骤A16；

步骤A16、判断是否是紧急停止指令，若是，则停止电机运行，若否，则执行步骤A17；

步骤A17、判断是否是RAM读写指令，若是，则打开RAM都系使能，若否，则执行步骤A18、

步骤A18、判断是否时读写寄存器参数指令，若是，则读写寄存器参数，若否，则结束。

原理：DSP模块的工作过程中，首先进行初始化操作并打开系统中断，然后中断服务程序工作。通过中断服务程序完成上位机对电机的控制。

DSP模块的中断过程包括外部中断和定时器中断。进入中断服务程序后，通过中断标志判断进入定时器中断服务程序还是进入外部中断服务程序。

若中断标志标明进入的是定时器中断服务程序，表明此时上位机没有送入新的程序指令，DSP模块根据当前命令，决定DSP模块继续要执行的动作。

若中断标志标明进入的是外部中断服务程序，表明上位机已经下发了新的程序指令。根据不同的指令，DSP模块设置相应的寄存器，并启动相应的外设，执行相应的操作。

本发明所述的面向全自动表面贴装系统的二轴平面运动控制卡及二轴平面运动控制方法能完成RAM缓存的读写、生成电机控制脉冲指令和获取外设的状态反馈。表面贴装系统的平面运动的所有指令都是在这些基本指令的基础上完成的。

RAM缓存的读写。RAM缓存用于临时存储有关的控制数据，为上位机和设备端口之间的通信提供了高速可靠的传输方式。

生成电机控制脉冲指令。运动控制板卡的主要功能就是电机控制，能够根据上位机指令生成相应的控制脉冲序列，并通过速度规划算法对脉冲的频率和相位进行控制，实现电机的平滑控制，在高速、高精度运动的基础上，减少对机械结构的冲击。

获取外设的状态反馈。运动控制卡通过外设信号接口可获得码盘信号、PWM信号、开关状态信号的反馈输入，使得上位机能够实时地获得贴片装置的运行状态。