基于多核SoC的多轴运动控制平台关键技术研发

发布时间：2020-05-29 15:44

【摘要】：随着智能制造和工业自动化进程推进,工业应用对机器人提出了越来越高的要求,特别是在多轴同步、高集成度、高可靠性等方面。系统驱控组件的集成化设计是目前机器人研究热点之一,同时,系统驱控组件的性能也是实现机器人功能与性能的基础。随着电子技术的不断发展,出现了适用于集成式驱控平台设计的多核处理器芯片。本课题结合当前发展趋势,设计一种基于多核SoC的多轴运动控制平台,用于实现机器人系统的实时控制和多轴同步控制功能。基于多轴运动控制平台的实时通信和同步控制需求,采用Xilinx Zynq 7020 SoC作为核心处理器,设计了双核SoC多轴运动控制平台的总体架构。结合多轴运动控制系统与接口特征,完成了SoC运动控制平台的硬件设计,主要包括SoC最小系统和Ethernet、USB、UART等主流通信接口设计。采用了AXI4-Lite协议接口,实现了SoC内部单元的高速互联。针对AMP系统架构下双核对共享资源的互斥访问要求,提出了SoC系统共享资源的分配策略。针对多轴运动的同步控制要求,完成了SoC系统下处理单元间通信的时序设计。基于运动控制的功能完整性需求,设计了Linux+Xenomai实时操作系统和伺服裸机系统组成的SOC双核系统。在Linux系统下,完成了平台通信设备的驱动移植。基于双核间多任务通信需求,采用共享内存OCM作为通信媒介,提出了OCM的管理方法。基于双核间数据访问的互斥性与通信数据的多样性需求,设计了核间信号量和数据消息邮箱。最后,设计了核间通信的数据链路,提出了基于轮询机制的非周期性任务通信方法和基于硬件中断的周期性任务通信方法,实现了核间多任务的实时通信和同步控制。最后,搭建实验测试环境,进行了平台接口功能测试,并进行了双核系统间多任务通信功能和性能测试。测试结果表明,本文实现的多轴运动控制平台具有完整的使用功能,系统的实时性和同步控制满足运动控制的使用要求。
【图文】：

非周期任务,信号量,目的数据,伺服

华中科技大学硕士学位论文处于存在错误或超时，如果有错误或超时则进行相应处理；（3）通信状态正常，将目的数据帧写入邮箱；（4）数据帧写入完成后，设置核间信号量，通知伺服进行响应；（5）查询核间信号量，判断伺服是否完成响应；（6）伺服响应成功后，读取伺服响应帧数据（7）Linux 系统任务通信结束。伺服系统的具体操作如下：（1）通过 while(1)程序轮询核间信号量，判断通信是否处于存在错误或超时，如果有错误或超时则进行相应处理；（2）如果 Linux 已发起任务通信，则从邮箱中读取目的数据帧；（3）解析目的数据帧，完成相应的指令操作；（4）将响应数据封装成数据帧，并重新写入邮箱；5）数据帧写入完成后，设置核间信号量，通知 Linux 系统已完成响应；（6）伺服系统任务通信结束。

状态图,周期任务,数据链路,信号量

华中科技大学硕士学位论文周期任务通信技术在多轴运动控制过程中，双核系统的周期任务通信主要用于完成周期性控更新和伺服反馈数据的读取，，进而实现多轴运动控制。.1 数据链路设计在周期任务通信中，双核系统的通信数据类别固定，数据量小。因此采用固箱完成周期通信的数据链路，并使用核间信号量完成系统通信状态的切换。数据分为控制指令和反馈数据两类，在双核间进行单向传输。为了提高数据，分别设置发送邮箱区和接收邮箱区。其中，发送邮箱区保存 Linux 系统的，接收邮箱区保存伺服系统的反馈数据。周期任务通信数据链路如图 4.15 所
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN47;TP273

【参考文献】