CN207557745U

CN207557745U - 一种基于pc数控系统的总线控制板卡

Info

Publication number: CN207557745U
Application number: CN201721614046.8U
Authority: CN
Inventors: 温旺古; 封雨鑫; 陈焱; 高云峰
Original assignee: Shenzhen Dazu Intelligent Control Technology Co Ltd; Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Dazu Intelligent Control Technology Co Ltd; Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2027-11-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于PC数控系统的总线控制板卡，涉及了工业自动化控制领域，包括总线控制板卡、PC数控系统、数字I/O控制板卡、电机轴控制板卡以及扩展功能控制模块；所述PC数控系统通过PCI总线与所述总线控制板卡连接实现数据通信控制，所述数字I/O控制板卡、所述电机轴控制板卡分别通过电路的形式与所述总线控制板卡连接，所述总线控制板卡通过并行总线与所述扩展功能控制模块进行通信后控制其功能电路。本实施例所述基于PC数控系统的总线控制板卡具有高性能、成本低、标准化程度高、可靠性高、软硬件资源丰富以及易于信息集成等优势。

Description

一种基于PC数控系统的总线控制板卡

技术领域

本实用新型涉及工业自动化控制领域，尤其涉及一种基于PC数控系统的总线控制板卡。

背景技术

目前，市场上总线控制板卡普遍采用专用数控系统，特别是PCI(外设部件互连标准Peripheral Component Interconnect)总线控制卡，该专用数控系统由ARM(微处理器Advanced RISC Machines)、DSP(数字信号处理Digital Signal Processing)、单片机等控制器和其它控制电路组成，它的处理性能差、少量生产成本高、软硬件资源不够丰富、不便于信息集成。

因此，如何使总线控制板卡提高处理性能、丰富软硬件资源、方便信息集成，并降低生产成本成为亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于PC(Personal Computer个人计算机)数控系统的总线控制板卡，解决了现有总线控制板卡采用专用数控系统时，其处理性能差、生产成本高、软硬件资源不够丰富、信息集成困难的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型实施例提供了一种基于PC数控系统的总线控制板卡，包括总线控制板卡、PC数控系统、数字I/O控制板卡、电机轴控制板卡以及扩展功能控制模块；

所述PC数控系统通过PCI总线与所述总线控制板卡连接实现数据通信控制，所述数字I/O控制板卡、所述电机轴控制板卡分别通过电路的形式与所述总线控制板卡连接，所述总线控制板卡通过并行总线与所述扩展功能控制模块进行通信后控制其功能电路；

所述PC数控系统通过所述总线控制板卡驱动控制所述数字I/O控制板卡、所述电机轴控制板卡以及所述扩展功能控制模块。

作为本实用新型的进一步改进，所述总线控制板卡包括FPGA可编程逻辑控制器110、数字I/O卡接口、电机轴卡接口、扩展功能控制模块接口、PCI总线接口以及电平转换单元；

所述PC数控系统通过所述PCI总线接口连接至所述FPGA可编程逻辑控制器；

所述数字I/O控制板卡通过所述数字I/O卡接口连接至所述FPGA可编程逻辑控制器110上，所述FPGA可编程逻辑控制器的数据传输到所述数字I/O控制板卡上；

所述电机轴控制板卡通过所述电机轴卡接口连接至所述FPGA可编程逻辑控制器上，所述FPGA可编程逻辑控制器的数据传输到所述电机轴控制板卡上；

所述扩展功能控制模块通过所述电平转换单元和所述扩展功能控制模块接口连接至所述FPGA可编程逻辑控制器上，所述FPGA可编程逻辑控制器的数据传输到所述扩展功能控制模块上。

作为本实用新型的进一步改进，所述总线控制板卡还包括检测模块、电源指示及输出模块以及内存管理模块；

所述检测模块、所述电源指示及输出模块、所述内存管理模块分别通过电路的形式与所述FPGA可编程逻辑控制器连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述总线控制板卡上还设有稳压电源电路，所述稳压电源电路包括：与所述内存管理模块连接的电池、与所述PCI总线接口连接的+/-12V电源和5V电源；

所述5V电源上串联有3.3V电源，并在所述3.3V电源上串联一个2.5V电源。

作为本实用新型的进一步改进，所述FPGA可编程逻辑控制器嵌入扩展功能控制模块接口的通信控制逻辑后产生ID信号，并由所述ID信号产生电路控制；

根据所述ID信号产生电路控制的电路包括电阻R106、电阻R107、电阻R108、二极管D14、场效应管Q1以及+12V电源；其中，电阻R106的引脚2连接到二极管D14的一端后与场效应管Q1的引脚2连接，二极管D14的另一端接地，场效应管Q1的引脚3与电阻R107的引脚1连接后与+12V电源连接，场效应管Q1的引脚1与电阻R107的引脚2连接后，连接在电阻R108的引脚1上；电阻R106的引脚1为信号输入端，电阻R108的引脚2为信号输出端。

作为本实用新型的进一步改进，所述电平转换单元包括将单端信号电压转换为差分信号电压的电路，以及将差分信号电压转换为单端信号电压的电路。

作为本实用新型的进一步改进，，所述将单端信号电压转换为差分信号电压的电路包括：

PA0～PA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚1、7、9、15，PA4～PA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚1、7、9、15；+DIFFA0～+DIFFA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFA0～-DIFFA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚3、5、11、13，+DIFFA4～+DIFFA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFA4～-DIFFA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚3、5、11、13；

其中，PA0～PA7端口为信号输入端口，+DIFFA0～+DIFFA7端口以及-DIFFA0～-DIFFA7端口均为信号输出端口。

作为本实用新型的进一步改进，所述将差分信号电压转换为单端信号电压的电路包括：

+DIFFB0～+DIFFB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFB0～-DIFFB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚1、7、9、15，+DIFFB4～+DIFFB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFB4～-DIFFB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚1、7、9、15；此外，PB0～PB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚3、5、11、13，PB4～PB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚3、5、11、13；其中，PB0～PB7端口为信号输入端口，+DIFFB0～+DIFFB7端口以及-DIFFB0～-DIFFB7端口均为信号输出端口；

另外，+DIFFB0端口与-DIFFB0端口之间连接有阻值为100的电阻R98，依次类推，+DIFFB1～+DIFFB7端口与-DIFFB1～-DIFFB17端口之间一一对应连接有阻值均为100的电阻R100、R101、R99、R102、R104、R105、R103

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

在本实用新型的实施例中，所述PC数控系统为整个总线控制板卡的控制中枢，并通过所述总线控制板卡驱动控制所述数字I/O控制板卡、所述电机轴控制板卡以及所述扩展功能控制模块，从而实现了整个数控机床轴运动和相关电气控制。本实施例所述基于PC数控系统的总线控制板卡具有高性能、成本低、标准化程度高、可靠性高、软硬件资源丰富以及易于信息集成等优势。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述基于PC数控系统的总线控制板卡的原理框图；

图2为本实用新型实施例所述总线控制板卡的原理框图；

图3为本实用新型实施例ID信号控制的电路参考示意图；

图4为本实用新型实施例所述电平转换单元Port A的电路参考示意图；

图5为本实用新型实施例所述电平转换单元Port C的电路参考示意图；

图6为本实用新型实施例所述电平转换单元Port B的电路参考示意图；

图7为本实用新型实施例所述PCI总线接口的电路参考示意图。

主要附图标记说明如下：

100	总线控制板卡
		110	FPGA可编程逻辑控制器
120	数字I/O卡接口
		130	电机轴卡接口
140	扩展功能控制模块接口
		150	PCI总线接口
160	电平转换单元
		170	检测模块
180	电源指示及输出模块
		190	内存管理模块
200	PC数控系统
		300	数字I/O控制板卡
400	电机轴控制板卡
		500	扩展功能控制模块

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

参阅图1所示，为本实用新型实施例所述一种基于PC数控系统的总线控制板卡的原理框图，包括：总线控制板卡100、PC数控系统200、数字I/O控制板卡300、电机轴控制板卡400以及扩展功能控制模块500，所述PC数控系统200通过PCI总线与所述总线控制板卡100连接实现数据通信控制，所述数字I/O控制板卡300、所述电机轴控制板卡400分别通过电路的形式与所述总线控制板卡100连接，所述总线控制板卡100通过并行总线(Parallel bus)与所述扩展功能控制模块500进行通信后控制其功能电路；本实施例中所述PC数控系统200为整个总线控制板卡的控制中枢，用于控制整个数控机床轴运动以及相关电气的操作，具体为：所述PC数控系统200通过所述总线控制板卡100驱动控制所述数字I/O控制板卡300、所述电机轴控制板卡400以及所述扩展功能控制模块500，从而实现了整个数控机床轴运动和相关电气控制。

其中，参照图2所示，所述总线控制板卡100包括FPGA(Field Programmable GateArray)可编程逻辑控制器110、数字I/O卡接口120、电机轴卡接口130、扩展功能控制模块接口140、PCI(Peripheral Component Interconnect)总线接口150以及电平转换单元160。

所述PC数控系统200通过所述PCI总线接口150连接至所述FPGA可编程逻辑控制器110上，以实现所述PC数控系统200与所述FPGA可编程逻辑控制器110之间数据的通信和控制；所述数字I/O控制板卡300通过所述数字I/O卡接口120连接至所述FPGA可编程逻辑控制器110上所述FPGA可编程逻辑控制器110的数据传输到所述数字I/O控制板卡300上，以实现基本数字量I/O的控制；所述电机轴控制板卡400通过所述电机轴卡接口130连接至所述FPGA可编程逻辑控制器110上，所述FPGA可编程逻辑控制器110的数据传输到所述电机轴控制板卡400上，以实现基本电机轴的控制；所述扩展功能控制模块500通过所述电平转换单元160和所述扩展功能控制模块接口140连接至所述FPGA可编程逻辑控制器110上，所述FPGA可编程逻辑控制器110的数据传输到所述扩展功能控制模块500上，以实现所述扩展功能控制模块500上各个扩展功能的控制，本实施例中控制所述扩展功能包括扩展电机轴控制、扩展数字量I/O控制以及扩展模拟量I/O控制。

在本实用新型的实施例中，所述总线控制板卡100还包括检测模块170、电源指示及输出模块180以及内存管理模块190，所述检测模块170、所述电源指示及输出模块180、所述内存管理模块190分别通过电路的形式与所述FPGA可编程逻辑控制器110连接。

所述检测模块170用于对所述总线控制板卡100的电压、温度以及电池电量等进行检测，以实现对所述总线控制板卡100进行监控；具体的：通过电源电压取样后分压与参考电压进行比较监控，通过温度传感器取样后分压与参考电压进行比较监控，通过电池电压取样后分压与参考电压进行比较监控；所述电源指示及输出模块180用于对所述总线控制板卡100自身的工作状态是否异常进行状态指示输出，并驱动继电器开关控制强电的工作；所述内存管理模块190由两片基本的CMOS RAM(随机存取存储器)芯片LY62L5128SL组成，用于管理所述总线控制板卡100的内存空间；此外，所述总线控制板卡100上还设有稳压电源电路，所述稳压电源电路包括：与所述内存管理模块190连接的电池、与所述PCI总线接口150连接的+/-12V电源和5V电源；具体的，所述5V电源上串联有3.3V电源，并在所述3.3V电源上串联一个2.5V电源，所述稳压电源电路用于保证所述总线控制板卡100工作时电压的稳定性。

所述FPGA可编程逻辑控制器110为可编辑器件，通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现一些逻辑功能，本实施例中所述FPGA可编程逻辑控制器110嵌入的逻辑功能与所述总线控制板卡100上设置的接口或模块相对应，具体的，包括：PCI总线协议通信逻辑、数字I/O控制逻辑、电机轴控制逻辑、扩展功能模块通信控制逻辑、电压/温度/电池电量检测逻辑、电源指示及输出逻辑、内存管理逻辑。

在本实施例中，当所述FPGA可编程逻辑控制器110嵌入扩展功能控制模块接口的通信控制逻辑后将会产生ID信号，并由所述ID信号产生电路控制，再通过所述电平转换单元160进行电平转换后通过所述扩展功能控制模块接口140与所述扩展功能控制模块500进行数据传输控制。

具体的，如图3所示的电路，该电路用于根据ID信号产生电路控制，包括电阻R106、电阻R107、电阻R108、二极管D14、场效应管Q1以及+12V电源；其中，电阻R106的引脚2连接到二极管D14的一端后与场效应管Q1的引脚2连接，二极管D14的另一端接地，场效应管Q1的引脚3与电阻R107的引脚1连接后与+12V电源连接，场效应管Q1的引脚1与电阻R107的引脚2连接后，连接在电阻R108的引脚1上；本实施例电阻R106的引脚1为信号输入端，电阻R108的引脚2为信号输出端，具体的，该ID信号从电阻R106的引脚1输入后，经过上述电路控制由电阻R108的引脚2输出，从而产生电路控制，其中，场效应管Q1为开关场效应管，在上述电路中起到开能与关断的作用。

在本实用新型的实施例中，所述电平转换单元160包括将单端信号电压转换为差分信号电压的电路，以及将差分信号电压转换为单端信号电压的电路；本实施例中单端信号电压是采用单个导体上的电压来表示；而差分信号电压是采用在两个导体间的电压差。本实施例中采用差分信号能够易于识别小信号、对外部电磁干扰(EMI)高度免疫以及精确地处理双极信号。

在本实施例中，为提高单端信号电压的传输距离和稳定性，如图4所示，可将单端信号电压(如：TTL电平)通过集成芯片26LS31的U32/U34转换为差分信号电压(如：RS422电平)，实现方法如下：

将单端信号电压从PA[7:0]端口输入，通过芯片U32/U33转换成差分信号电压并由+DIFFA[7:0]端口以及-DIFFA[7:0]端口输出；具体的，PA0～PA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚1、7、9、15，PA4～PA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚1、7、9、15；此外，+DIFFA0～+DIFFA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFA0～-DIFFA3端口分别对应连接到U32芯片的引脚3、5、11、13，+DIFFA4～+DIFFA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFA4～-DIFFA7端口分别对应连接到U34芯片的引脚3、5、11、13。其中，PA0～PA7端口为信号输入端口，+DIFFA0～+DIFFA7端口以及-DIFFA0～-DIFFA7端口均为信号输出端口。

在一些实施例中，参照图5所示，还可将单端信号电压从PC[7:0]端口输入，通过芯片U33/U35转换成差分信号电压并由+DIFFC[7:0]端口以及-DIFFC[7:0]端口输出，实现方法与上述将单端信号电压从PA[7:0]端口输入，通过芯片U32/U34转换成差分信号电压的方法类似，在本实施例中不再赘述。

在本实施例中，由于所述FPGA可编程逻辑控制器110只能识别单端信号电压，为此，如图6所示，可将差分信号电压(如：RS422电平)通过集成芯片26LS31的U36/U37转换为单端信号电压(如：TTL电平)，实现方法如下：

将差分信号电压从+DIFFB[7：0]端口以及-DIFFB[7：0]端口输入，通过芯片U36/U37转换成单端信号电压并由PB[7:0]端口输出；具体的，+DIFFB0～+DIFFB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFB0～-DIFFB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚1、7、9、15，+DIFFB4～+DIFFB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚2、6、10、14，-DIFFB4～-DIFFB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚1、7、9、15；此外，PB0～PB3端口分别对应连接到U36芯片的引脚3、5、11、13，PB4～PB7端口分别对应连接到U37芯片的引脚3、5、11、13。其中，PB0～PB7端口为信号输入端口，+DIFFB0～+DIFFB7端口以及-DIFFB0～-DIFFB7端口均为信号输出端口；另外，在+DIFFB0端口与-DIFFB0端口之间连接有阻值为100的电阻R98，依次类推，在+DIFFB1～+DIFFB7端口与-DIFFB1～-DIFFB7端口之间一一对应连接有电阻R100、R101、R99、R102、R104、R105、R103，且电阻R100、R101、R99、R102、R104、R105、R103的阻值与电阻R98的阻值均为100。

作为本实施例的优选方案，所述电平转换单元160采用的芯片U32/U33/U34/U35/U36/U37均为同一种型号的芯片，其引脚位置及功能也相同。

在本实用新型的实施例中，所述PCI总线接口150为一种时分复用的双向应答总线，主要应用于传输方与接收方之间的数据通信控制，本实施例中传输发起方为所述PC数控系统200接收方为所述总线控制板卡100：参照图7所示，具体的实现方法如下：

首先，所述PC数控系统200采用图示中FRAME信号作为指示，所述总线控制板卡100拉低图示中DEVSEL线以表示响应传输请求；其中，图示中IRDY和TRDY分别表示所述PC数控系统200和所述总线控制板卡100已准备好。

其次，所述PCI总线接口150的数据传输以帧为单位，每次传输由一个地址周期(Address Phase)和多个数据周期(Data Phase)组成，具体的，图示中AD0～AD31首先给出本次传输的首地址，后面紧跟一个或多个32位(4字节)宽的数据，多个数据的地址自动递增。

在地址周期，图示中CBE0～CBE3这四根线的不同组合指示出在该ADO～AD31上将要进行何种类型的操作，例如：CBE0～CBE3＝0110表示存储器读，CBE0～CBE3＝0011表示I/O读写等。此外，在数据周期，CBE0～CBE3对应AD0～AD31上四个字节的使能。

在传输过程中，只有IRDY和TRDY同时有效，所述PC数控系统200和所述总线控制板卡100之间的数据传输才能继续；否则插入等待周期，用于在不同速度的设备之间协调工作。

在一些实施例中，传统的数据传输接口卡一般会用到I/O端口、存储器空间、中断及DMA(Direct Memory Access，直接内存存取)等计算机资源，该接口卡通过更改跳线来避免多块卡之间的资源冲突，而本实施例采用的PCI总线接口则摒弃了硬件跳线，由软件统筹分配资源，即称为即插即用。而本实施例为实现即插即用的功能，由PCI总线接口定义的PCI协议除了可以对I/O空间、存储器空间读写外，还定义了对配置空间的读写(如：CBE0～CBE3＝1010、1011)。所谓配置空间是指映射到每块接口卡上的256字节的特殊功能寄存器，并对它们所需的资源进行统筹分配，再将分配结果写回对应的配置空间地址，完成自动配置。

在本实用新型的实施例中，所述PC数控系统200为整个总线控制板卡的控制中枢，并通过所述总线控制板卡100驱动控制所述数字I/O控制板卡300、所述电机轴控制板卡400以及所述扩展功能控制模块500，从而实现了整个数控机床轴运动和相关电气控制。本实施例所述基于PC数控系统的总线控制板卡具有高性能、成本低、标准化程度高、可靠性高、软硬件资源丰富以及易于信息集成等优势。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于，包括：总线控制板卡、PC数控系统、数字I/O控制板卡、电机轴控制板卡以及扩展功能控制模块；

2.根据权利要求1所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于：所述总线控制板卡包括FPGA可编程逻辑控制器110、数字I/O卡接口、电机轴卡接口、扩展功能控制模块接口、PCI总线接口以及电平转换单元；

3.根据权利要求2所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于：所述总线控制板卡还包括检测模块、电源指示及输出模块以及内存管理模块；

4.根据权利要求3所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于，所述总线控制板卡上还设有稳压电源电路，所述稳压电源电路包括：与所述内存管理模块连接的电池、与所述PCI总线接口连接的+/-12V电源和5V电源；

5.根据权利要求2所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于：所述FPGA可编程逻辑控制器嵌入扩展功能控制模块接口的通信控制逻辑后产生ID信号，并由所述ID信号产生电路控制；

6.根据权利要求2所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于：所述电平转换单元包括将单端信号电压转换为差分信号电压的电路，以及将差分信号电压转换为单端信号电压的电路。

7.根据权利要求6所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于，所述将单端信号电压转换为差分信号电压的电路包括：

其中，PA0～PA7端口为信号输入端口，+DIFFA0～+DIFFA7端口以及-DIFFAO～-DIFFA7端口均为信号输出端口。

8.根据权利要求6所述的基于PC数控系统的总线控制板卡，其特征在于，所述将差分信号电压转换为单端信号电压的电路包括：

另外，+DIFFB0端口与-DIFFB0端口之间连接有阻值为100的电阻R98，依次类推，+DIFFB1～+DIFFB7端口与-DIFFB1～-DIFFB17端口之间一一对应连接有阻值均为100的电阻R100、R101、R99、R102、R104、R105、R103。