[發明專利]一種基于單CPU、非實時操作系統的實時控制系統

在審

• 申請號: 201410567375.6
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104281080A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 陸信如;何軍;陳耀忠;楊歡;邵凝寧;楊華
• 申請（專利權）人: 北方信息控制集團有限公司
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國;王培松

技術領域

本發明涉及應用于實時控制系統的實現方法，具體而言涉及一種基于單處理器、非實時操作系統的實時控制系統。

背景技術

實時控制系統工作過程中由于既有圖形顯示、操作控制等人機界面，又要有數據處理、很強的實時控制等功能，在設計時要充分考慮系統的整體性能，保證系統的實時性，才能滿足系統的控制要求。目前市場上一般實時控制系統的實現方法有兩種：單處理器+實時操作系統或雙處理器+非實時操作系統。

單處理器方案選用處理能力較強的微處理器、嵌入式實時操作系統(VxWorks等)，系統的實時性由操作系統來保證。由于處理器能力較強，將實時控制部分和人機界面、信息處理部分放在一起仍可以保證很好的實時性。

雙處理器方案把實時控制部分和信息處理部分分開，實時控制部分由單片機(51系列等)實現，人機界面及信息處理及顯示由性能稍強的微處理器(ARM9等)完成，微處理器與單片機之間一般采用串口通信交換數據。

該技術領域存在的問題和缺陷：

1、雙處理器方案的優點是單片機控制實時性強，可以做到較高的控制實時性，缺點是增加了系統的可靠性風險，增加軟件的復雜度和硬件成本。一方面上下位機軟件需要制定嚴格的協議，才能保證兩者可以協調工作；另一方面由于實時控制系統中電機啟動時電磁干擾非常大，對上下位機的串口通信會產生不利影響，一旦通信出錯將報廢加工的產品，甚至產生更嚴重的安全風險，硬件設計和軟件設計都需要增加抗干擾措施。

2、采用實時操作系統的單處理器方案能保證實時性，但實時操作系統軟件都需要付費購買，項目前期費用投入較大，有較大的研發風險，且付費軟件提高了產品的生產成本，降低了產品在市場中的競爭力。

發明內容

本發明目的在于提供一種基于單處理器、非實時操作系統的實時控制系統，在簡化硬件設計的同時，支持開源免費的操作系統，且可實現微秒級的控制精度。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種基于單處理器、非實時操作系統的實時控制系統，包括控制器模塊、擴展板、顯示器、輸入模塊、光電編碼器、伺服驅動器及伺服電機、步進電機驅動器及步進電機，其中：

所述顯示器和輸入模塊均與控制器模塊連接，用于實現人機交互；

所述控制器模塊通過擴展總線與所述擴展板連接，用于實現控制信號的輸入輸出；

所述伺服驅動器與擴展板連接以接收電機控制信號從而實現對伺服電機的驅動控制，該伺服電機作為Z軸電機用于實現垂直方向即Z軸的運動控制；

所述步進電機包括X軸步進電機和Y軸步進電機，所述步進電機驅動器分兩路通過所述擴展板傳輸的控制信號并分別用于驅動所述X軸步進電機和Y軸步進電機；

所述步進電機和伺服電機均采用脈沖頻率控制方式，所述光電編碼器被配置用于檢測Z軸的旋轉角度，并在Z軸轉動到預定的角度時發出響應信號，所述控制器模塊基于此響應信號發出所述X軸步進電機和Y軸步進電機的運動控制信號，從而實現X軸、Y軸以及Z軸的運動控制。

進一步的實施例中，所述控制器模塊采用S3C2440微處理器，采用嵌入式Linux操作系統，該微處理器具有4個定時器，在實現X軸、Y軸以及Z軸的運動控制時，采用其中的三個定時器分別產生定時中斷，并通過擴展板的I/O接口輸出可變脈沖頻率，從而分別控制X軸步進電機、Y軸步進電機和Z軸伺服電機。

進一步的實施例中，所述三個定時器的計數頻率設定為1MHz。

進一步的實施例中，所述擴展板采用可編程邏輯器件CPLD芯片實現，CPLD芯片與控制器模塊的擴展總線相連，所述光電編碼器的脈沖信號輸入CPLD芯片，在CPLD芯片中實現計數。

進一步的實施例中，所述顯示器為一LCD或LED顯示器。

由以上本發明的技術方案可知，本發明的有益效果在于采用單處理器(ARM9)和非實時操作系統(Linux)來實現實時控制系統，可實現微秒的控制精度(輸出脈沖寬度)。

本發明所采用的技術方案中，在簡化硬件設計的同時，系統的可靠性較好；而且由于采用了開源、免費的操作系統軟件，最終可以節約產品的開發成本和生產成本，使產品能夠在激烈的市場競爭中占據有利地位。

附圖說明

圖1為本發明一實施方式基于單處理器、非實時操作系統的實時控制系統的系統框圖。

具體實施方式

為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。