[发明专利]一种基于FPGA的嵌入式数字控制器及其控制方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的嵌入式数字控制器，包括嵌入式多核控制系统(1)、信号检测模块(2)、视觉跟踪模块(3)、脉冲输出光电隔离模块(4)、模拟控制模块(5)，信号检测模块(2)的输出端及视觉跟踪模块(3)的输出端分别与嵌入式多核控制系统(1)的输入端连接，嵌入式多核控制系统(1)的输出端分别与脉冲输出光电隔离模块(4) 的输入端及模拟控制模块(5)的输入端连接，脉冲输出光电隔离模块(4) 的输出端与伺服驱动器连接，伺服驱动器驱动伺服电机，模拟控制模块(5)的输出端与气泵连接。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述嵌入式多核控制系统(1)采用Xilinx FPGA XC4VFX12芯片，包括通过Xilinx xps 开发平台定制的嵌入在FPGA XC4VFX12中的32位RISC软核处理器，以及通过Verilog HDL 设计而成的第一IP核和第二IP核，其中第一IP核的输出端与32位RISC软核处理器输入端连接，32位RISC软核处理器输出端与第二IP核的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述信号检测模块(2)包括有霍尔开关(21)及光电隔离电路(22) ,霍尔开关(21)输出端与光电隔离电路(22)的输入端连接，光电隔离电路(22)的输出端与嵌入式多核控制系统(1)的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述霍尔开关(21)由6个霍尔传感器组成，分别用于机床X轴、Y轴4路限位信号以及X轴、Y轴两路原位信号的检测，光电隔离电路(22)输出6路TTL电平信号到32位RISC软核处理器(11)，光电隔离电路(22)由3片TLP521-2芯片组成。

5. 根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述视觉跟踪(3)包括摄像头(31)、视频解码器(32)、数据传输接口(33)，其中摄像头(31)的输出端与视频解码器(32)的输入端连接，视频解码器(32)的输出端与数据传输接口(33)的输入端连接，数据传输接口(33)的输出端与嵌入式多核控制系统(1)的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述视频解码(32)采用ADV7181C芯片，数据传输接口(33)采用VK3366芯片，VK3366芯片的主接口为I2C接口。

7.根据权利要求1所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述脉冲输出光电隔离模块(4)由10片6N136芯片组成，光电隔离模块(4)的输出端同时输出10路频率为0~9000Hz的脉冲信号到伺服驱动器。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述模拟控制模块(5)包括滤波放大电路(51)、电磁阀(52)，其中滤波放大电路(51) 的输出端与电磁阀(52)的输入端连接，电磁阀(52)的输出端与气泵连接。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的嵌入式数字控制器，其特征在于上述滤波放大电路(51)采用运算放大器，电磁阀(52)输入模拟电压范围为0~ 12V。

10.一种基于FPGA的嵌入式数字控制器的控制方法，其特征在于包括如下过程：

1）系统上电后，由嵌入式多核控制系统通过脉冲输出光电隔离模块向伺服驱动器输出插补脉冲控制机床的X，Y轴回原位运动，并通过信号检测模块输入原位信号到32位RISC软核处理器，直到机床的X轴、Y轴移动到原点位置；

2）视觉跟踪模块通过摄像头获取实时加工轨迹视频，视频解码器在完成加工轨迹视频信号模数转换以及RGB、场信号、行信号的分离后通过I2C总线将视频数据送到数据传输接口，然后再将视频数据送到嵌入式多核控制系统内的第一IP核；

3）嵌入式多核控制系统内的第一IP核获取视觉跟踪模块传输进来的数据后进行加工轨迹图像处理及加工轨迹误差计算，所得误差传给32位RISC软核处理器，32位RISC软核处理器对预加工轨迹进行补偿后向第二IP核发送预加工轨迹数据，第二IP核负责预加工轨迹数据插补脉冲生成，并经过脉冲输出光电隔离模块4输出插补脉冲；

4）嵌入式多核控制系统内的32位RISC软核处理器产生模拟PWM信号，经过滤波放大电路输出到电磁阀实现电磁阀的比例控制；

5）加工过程中，嵌入式多核控制系统内的32位RISC软核处理器实时检测信号检测模块输入的限位信号，当机床X轴、Y轴运动超出规定的行程时，限位信号输出高电平，此时32位RISC软核处理器向第二IP核发出停止加工轨迹插补脉冲输出的指令。