本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及嵌入式工业控制
，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。
技术介绍
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
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。附图说明图1是本专利技术基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的原理框图。图2是本专利技术基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的扩展控制原理框图。图3是本专利技术基于龙芯处理器和FPGA技术的嵌入式控制器的3轴控制系统的原理框图。图4是本专利技术基于龙芯处理器和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是本专利技术基于龙芯处理器和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专利技术，但本专利技术的保护范围并不限于此。参照图1-2，本专利技术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，本专利技术中以龙芯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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高建华，
申请(专利权)人：杭州英若飞科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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