一种基于单CPU、非实时操作系统的实时控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，包括控制器模块、扩展板、显示器、输入模块、光电编码器、伺服驱动器及伺服电机、步进电机驱动器及步进电机，伺服驱动器与扩展板连接以接收电机控制信号从而实现对伺服电机的驱动控制，该伺服电机作为Z轴电机用于实现垂直方向即Z轴的运动控制；步进电机包括X轴步进电机和Y轴步进电机，由步进电机驱动器控制驱动；步进电机和伺服电机均采用脉冲频率控制方式，光电编码器被配置用于检测Z轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，控制器模块基于此响应信号发出X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应用于实时控制系统的实现方法，具体而言涉及一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统。
技术介绍
实时控制系统工作过程中由于既有图形显示、操作控制等人机界面，又要有数据处理、很强的实时控制等功能，在设计时要充分考虑系统的整体性能，保证系统的实时性，才能满足系统的控制要求。目前市场上一般实时控制系统的实现方法有两种：单处理器+实时操作系统或双处理器+非实时操作系统。单处理器方案选用处理能力较强的微处理器、嵌入式实时操作系统(VxWorks等)，系统的实时性由操作系统来保证。由于处理器能力较强，将实时控制部分和人机界面、信息处理部分放在一起仍可以保证很好的实时性。双处理器方案把实时控制部分和信息处理部分分开，实时控制部分由单片机(51系列等)实现，人机界面及信息处理及显示由性能稍强的微处理器(ARM9等)完成，微处理器与单片机之间一般采用串口通信交换数据。该
存在的问题和缺陷：1、双处理器方案的优点是单片机控制实时性强，可以做到较高的控制实时性，缺点是增加了系统的可靠性风险，增加软件的复杂度和硬件成本。一方面上下位机软件需要制定严格的协议，才能保证两者可以协调工作；另一方面由于实时控制系统中电机启动时电磁干扰非常大，对上下位机的串口通信会产生不利影响，一旦通信出错将报废加工的产品，甚至产生更严重的安全风险，硬件设计和软件设计都需要增加抗干扰措施。2、采用实时操作系统的单处理器方案能保证实时性，但实时操作系统软件都需要付费购买，项目前期费用投入较大，有较大的研发风险，且付费软件提高了产品的生产成本，降低了产品在市场中的竞争力。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，在简化硬件设计的同时，支持开源免费的操作系统，且可实现微秒级的控制精度。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，包括控制器模块、扩展板、显示器、输入模块、光电编码器、伺服驱动器及伺服电机、步进电机驱动器及步进电机，其中：所述显示器和输入模块均与控制器模块连接，用于实现人机交互；所述控制器模块通过扩展总线与所述扩展板连接，用于实现控制信号的输入输出；所述伺服驱动器与扩展板连接以接收电机控制信号从而实现对伺服电机的驱动控制，该伺服电机作为Z轴电机用于实现垂直方向即Z轴的运动控制；所述步进电机包括X轴步进电机和Y轴步进电机，所述步进电机驱动器分两路通过所述扩展板传输的控制信号并分别用于驱动所述X轴步进电机和Y轴步进电机；所述步进电机和伺服电机均采用脉冲频率控制方式，所述光电编码器被配置用于检测Z轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，所述控制器模块基于此响应信号发出所述X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制。进一步的实施例中，所述控制器模块采用S3C2440微处理器，采用嵌入式Linux操作系统，该微处理器具有4个定时器，在实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制时，采用其中的三个定时器分别产生定时中断，并通过扩展板的I/O接口输出可变脉冲频率，从而分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴伺服电机。进一步的实施例中，所述三个定时器的计数频率设定为1MHz。进一步的实施例中，所述扩展板采用可编程逻辑器件CPLD芯片实现，CPLD芯片与控制器模块的扩展总线相连，所述光电编码器的脉冲信号输入CPLD芯片，在CPLD芯片中实现计数。进一步的实施例中，所述显示器为一LCD或LED显示器。由以上本专利技术的技术方案可知，本专利技术的有益效果在于采用单处理器(ARM9)和非实时操作系统(Linux)来实现实时控制系统，可实现微秒的控制精度(输出脉冲宽度)。本专利技术所采用的技术方案中，在简化硬件设计的同时，系统的可靠性较好；而且由于采用了开源、免费的操作系统软件，最终可以节约产品的开发成本和生产成本，使产品能够在激烈的市场竞争中占据有利地位。附图说明图1为本专利技术一实施方式基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统的系统框图。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。如图1所示，根据本专利技术的较优实施例，一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，包括控制器模块、扩展板、显示器、输入模块、光电编码器、伺服驱动器及伺服电机、步进电机驱动器及步进电机，其中：所述显示器和输入模块均与控制器模块连接，用于实现人机交互；所述控制器模块通过扩展总线与所述扩展板连接，用于实现控制信号的输入输出；所述伺服驱动器与扩展板连接以接收电机控制信号从而实现对伺服电机的驱动控制，该伺服电机作为Z轴电机用于实现垂直方向即Z轴的运动控制；所述步进电机包括X轴步进电机和Y轴步进电机，所述步进电机驱动器分两路通过所述扩展板传输的控制信号并分别用于驱动所述X轴步进电机和Y轴步进电机；所述步进电机和伺服电机均采用脉冲频率控制方式，所述光电编码器被配置用于检测Z轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，所述控制器模块基于此响应信号发出所述X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制。作为优选的实施方式，本实施例中，前述控制器模块采用S3C2440微处理器来实现，采用嵌入式Linux操作系统，该微处理器具有4个定时器，在实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制时，采用其中的三个定时器分别产生定时中断，并通过扩展板的I/O接口输出可变脉冲频率，从而分别控制X轴步进电机、Y轴步进电机和Z轴伺服电机。该S3C2440微处理器为三星公司的ARM902T处理器，运算处理功能强，并且具有总线扩展功能。本实施例中，通过扩展板与控制模块的扩展总线相连，实现控制器模块与外部控制设备的连接，包括电机驱动器(步进电机驱动器和伺服驱动器)和光电编码器，并且所有输入输出信号均使用光电耦合器隔离，提高了抗干扰能力，保证信号在恶劣环境下的可靠传输。本实施例中，垂直方向的运动控制通过伺服电机和伺服驱动器来实现，水平方向的运动控制采用步进电机，尤其是细分步进电机来实现。本实施例中所采用的的三个电机均采用脉冲频率控制。前述光电编码器用来检测Z轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，所述控制器模块基于此响应信号发出所述X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制。即当Z轴转动到预先设定的角度时再启动水平方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，其特征在于，包括控制器模块、扩展板、显示器、输入模块、光电编码器、伺服驱动器及伺服电机、步进电机驱动器及步进电机，其中：所述显示器和输入模块均与控制器模块连接，用于实现人机交互；所述控制器模块通过扩展总线与所述扩展板连接，用于实现控制信号的输入输出；所述伺服驱动器与扩展板连接以接收电机控制信号从而实现对伺服电机的驱动控制，该伺服电机作为Z轴电机用于实现垂直方向即Z轴的运动控制；所述步进电机包括X轴步进电机和Y轴步进电机，所述步进电机驱动器分两路通过所述扩展板传输的控制信号并分别用于驱动所述X轴步进电机和Y轴步进电机；所述步进电机和伺服电机均采用脉冲频率控制方式，所述光电编码器被配置用于检测Z轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，所述控制器模块基于此响应信号发出所述X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的运动控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于单处理器、非实时操作系统的实时控制系统，其特征在于，包括控制器模块、
扩展板、显示器、输入模块、光电编码器、伺服驱动器及伺服电机、步进电机驱动器及步进
电机，其中：
所述显示器和输入模块均与控制器模块连接，用于实现人机交互；
所述控制器模块通过扩展总线与所述扩展板连接，用于实现控制信号的输入输出；
所述伺服驱动器与扩展板连接以接收电机控制信号从而实现对伺服电机的驱动控制，该
伺服电机作为Z轴电机用于实现垂直方向即Z轴的运动控制；
所述步进电机包括X轴步进电机和Y轴步进电机，所述步进电机驱动器分两路通过所述
扩展板传输的控制信号并分别用于驱动所述X轴步进电机和Y轴步进电机；
所述步进电机和伺服电机均采用脉冲频率控制方式，所述光电编码器被配置用于检测Z
轴的旋转角度，并在Z轴转动到预定的角度时发出响应信号，所述控制器模块基于此响应信
号发出所述X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制信号，从而实现X轴、Y轴以及Z轴的
运动控制。

【专利技术属性】
技术研发人员：陆信如，何军，陈耀忠，杨欢，邵凝宁，杨华，
申请(专利权)人：北方信息控制集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32