一种具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台的制作方法

本发明涉及工业机器人控制器硬件设计技术领域，更具体地说，涉及一种具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台。

背景技术：

目前，工业机器人广泛应用于工业自动化领域，机器人控制系统是工业机器人的技术核心，而硬件平台是核心的基础。硬件平台既能为控制系统软件提供硬件运行环境，又能够与外部传感器设备建立物理连接桥梁，最终将机器人控制系统与外部设备有机结合统一。现阶段，工业机器人控制器硬件平台主要分为两大类：一类基于x86 CPU PC平台，能够运行通用型操作系统软件，通过通用标准PCIE物理接口连接外部设备，硬件电路设计复杂且功耗高，以及成本较高；另一类基于嵌入式CPU平台，根据具体应用针对性重构定制硬件组成，需要交叉编译特定专用型操作系统软件，硬件电路设计简洁小巧且功耗低，硬件组成成本相对较低。

另外，工业机器人控制系统主要通过控制伺服系统间接实现对机械本体机构的控制。相比于传统数控机床通过脉冲式控制伺服系统而言，现代工业机器人控制系统普遍采用工业总线式控制伺服系统。大幅减低硬件电路接口，简化系统连线，提高整个伺服控制系统的可靠性。同时，通过工业总线可以同步获取各个伺服从站丰富的状态数据，以便于与控制系统形成反馈控制。

现代主流工业总线实现方式主要有两种：一种是基于工业总线主栈协议专用芯片的工业总线类型，将总线实现协议及解析封装至专有芯片，通过数据总线、地址总线、中断等数字信号与主控CPU通信，降低控制器主机软件设计复杂度和提高软件处理效率。另一种是基于通用以太网网卡芯片的工业总线类型，通过开发专用的网卡设备驱动程序和主栈协议软件实现总线通信，对控制器主机软件设计及系统运行环境有较高的要求。

现在许多工业机器人控制器为了获得紧凑的硬件结构，往往将电源电路、主控电路、信号接口、设备接口、总线接口等设计在同一块硬件电路板之上，且只能支持一种总线类型。当主控CPU需要升级或者其余功能电路模块需要变更需求时，整个电路板又要重新设计，而且要重新整体评估电路信号完整性，大大提高了硬件平台设计与维护成本。工业控制器硬件平台属于高频高速电路，而且将全部功能模块设计在同一块硬件电路板上，增加了信号干扰几率和可靠性风险，对电路设计提出了很高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台，该工业机器人控制器硬件平台将硬件功能需求按照模块化划分和设计，具有硬件设计与定制灵活性和扩展性的特点，不仅降低了硬件重构成本和维护成本，有助于加快产品硬件升级换代，而且具有较强实用性和较高的应用价值，能够满足相关工业机器人控制器硬件平台设计的开发。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台，其特征在于：包括：

作为硬件平台基础底板并用于扩展连接功能硬件板的扩展插槽板；

以及功能模块扩展板；所述功能模块扩展板根据硬件功能类别特点划分为电源板、主控板、总线板、数字板和模拟板；

所述扩展插槽板的板载物理硬件接口资源包括：电源板插槽、主控板插槽、总线板插槽、数字板插槽和模拟板插槽；所述电源板、主控板、总线板、数字板和模拟板分别通过电源板插槽、主控板插槽、总线板插槽、数字板插槽和模拟板插槽与扩展插槽板连接。

所述主控板插槽和总线板插槽均设置有地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口；所述主控板插槽的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口分别与总线板插槽的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口。

所述主控板插槽还设置有数字量输入/输出信号接口和模拟量输入/输出信号接口；所述数字板插槽设置有外部数字量输入/输出信号接口；所述模拟板插槽设置有外部模拟量输入/输出信号接口；

所述主控板插槽的数字量输入/输出信号接口与数字板插槽的外部数字量输入/输出信号接口连接，实现工业机器人控制器硬件平台支持外部8路数字量信号输入和8路数字量信号输出；

所述主控板插槽的模拟量输入/输出信号接口与模拟板插槽的外部模拟量输入/输出信号接口连接，实现工业机器人控制器硬件平台支持外部2路模拟量电压信号输入、2路模拟量电流信号输入和2路模拟量电压信号输出。

所述电源板作为主控板、总线板、数字板和模拟板的供电电源，并采用级联电源供电的方式以5V和3.3V作为电源输出。

所述电源板由输入端子、ESD静电吸收电路、防反接电路、前置滤波器、DC-DC降压电路、输出端子以及外围电路连接组成；所述前置滤波器由轭流电感和滤波电容连接组成。

所述电源板还包括LDO电路；所述DC-DC降压电路包含两级电压转换电路：由24V电源转换为12V电源，然后有12V电源再转换为5V电源；所述5V电源输入LDO电路，转换为3.3V电源，以5V和3.3V作为电源输出；同时通过输出端子向外部提供稳定的24V直流电源。

所述主控板由主控CPU最小系统、主控板插槽接口、复位电路、DDR RAM电路、NAND FLASH电路、NOR FLASH电路、用于系统软件掉电数据快速存储的FRAM电路以及外围电路连接组成；

所述主控板插槽接口包括与主控板插槽对应的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口、RGMII信号接口、数字量输入/输出信号接口和模拟量输入/输出信号接口；主控CPU最小系统设置有与主控板插槽接口对应的总线端口；

所述主控CPU最小系统包括向外部提供设备扩展接口的电路，分别为USB设备接口电路、以太网设备接口电路和串行设备接口电路；所述USB设备接口电路通过USB主机接口以提供2路USB设备端口；所述以太网设备接口电路通过SPI接口连接W6100以太网协议栈芯片及RJ45接口以提供1路标准以太网通信端口；串行设备接口电路通过UART接口连接RS232/485转换芯片以提供1路串行通信设备连接端口。

所述总线板由工业总线主栈协议专用芯片、通用以太网网卡芯片、总线板插槽接口、单向输出传输电路、单向输入传输电路、双向通信传输电路以及外围电路连接组成；

所述总线板插槽接口包括与总线板插槽对应的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口；所述工业总线主栈协议专用芯片设置有与总线板插槽接口对应的端口，分别为地址总线信号端口、数据总线信号端口和中断信号端口；所述通用以太网网卡芯片设置有与总线板插槽接口对应的RGMII信号端口；

所述单向输出传输电路、单向输入传输电路和双向通信传输电路均由PHY芯片和带有RJ45接口的集成网络变压器连接组成；

所述工业总线主栈协议专用芯片依次与单向输出传输电路的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输出，实现与总线从栈设备建立数据输出通信；工业总线主栈协议专用芯片依次与单向输入传输电路的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输入，实现与总线从栈设备形成冗余通信；

所述通用以太网网卡芯片依次与双向通信传输电路的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输出/输入，实现与总线从栈设备建立全双工数据通信。

所述数字板由与外部设备输入端连接的RC滤波电路、光耦隔离器件一、数字板插槽接口、上拉信号电路、与输出外部设备端连接的光耦隔离器件二以及外围电路连接组成；

所述数字板插槽接口包括有与数字板插槽的外部数字量输入/输出信号接口相对应的系统硬件输入端口和系统硬件输出端口；

所述光耦隔离器件一的输入端与RC滤波电路连接，输出端连接上拉电阻，并与电源板提供的输入电源形成上拉信号电路，并与系统硬件输入端口连接；

所述光耦隔离器件二的输入端与系统硬件输出端口连接，输出端连接下拉电阻，且作为外部数字量信号输出，并与输出外部设备端连接。

所述模拟板由与电源板提供输入电源连接的电源前置滤波器、输入参考电源电路、输出参考电源电路、电压输入滤波器、输入电压转换电路、电流输入滤波器、输入电流转换电路、输出电压滤波器、输出电压转换电路、模拟板插槽接口以及外围电路连接组成；

所述模拟板插槽接口包括有与模拟板插槽的外部模拟量输入/输出信号接口相对应的电压/电流型模拟量输入端口和电压型模拟量输出口；

所述电源前置滤波器分别与输入参考电源电路和输出参考电源电路连接；所述输入参考电源电路与电压输入滤波器分别与输入电压转换电路的输入端连接，输入电压转换电路的输出端与电压/电流型模拟量输入端口连接；

所述电流输入滤波器通过高精度采样电阻与输入电流转换电路的输入端连接；所述输入参考电源电路与输入电流转换电路的输入端连接；所述输入电流转换电路的输出端与电压/电流型模拟量输入端口连接；

所述电压型模拟量输出口通过输出电压滤波器与输出电压转换电路的输入端连接；所述输出参考电源电路与输出电压转换电路的输入端连接；输出电压转换电路的输出端作为外部模拟量电压输出信号的输出端。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台将硬件功能需求按照模块化划分和设计，具有硬件设计与定制灵活性和扩展性的特点，不仅降低了硬件重构成本和维护成本，有助于加快产品硬件升级换代，而且具有较强实用性和较高的应用价值，能够满足相关工业机器人控制器硬件平台设计的开发。

2、本发明具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台中每一个功能模块电路相对独立地专注于自身功能电路特点设计，通过统一标准的数字信号接口建立连接，并且提供丰富的外部设备连接端口和兼容主流工业总线应用。功能模块需要升级更新时，仅对对应功能模块电路进行重新设计，有效隔离高频信号干扰，大幅降低硬件设计与维护成本。

附图说明

图1是本发明工业机器人控制器硬件平台的整体结构示意图；

图2是本发明工业机器人控制器硬件平台的扩展插槽板示意图；

图3是本发明工业机器人控制器硬件平台的电源板电路示意图；

图4是本发明工业机器人控制器硬件平台的主控板电路示意图；

图5是本发明工业机器人控制器硬件平台的总线板电路示意图；

图6是本发明工业机器人控制器硬件平台的数字板电路示意图；

图7是本发明工业机器人控制器硬件平台的模拟板电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图7所示，本发明具有总线兼容性的工业机器人控制器硬件平台包括：

作为硬件平台基础底板并用于扩展连接功能硬件板的扩展插槽板110；

以及功能模块扩展板，该功能模块扩展板根据硬件功能类别特点划分为电源板120、主控板130、总线板140、数字板150和模拟板160。

其中，扩展插槽板110的板载物理硬件接口资源包括：电源板插槽111、主控板插槽112、总线板插槽113、数字板插槽114和模拟板插槽115，电源板120、主控板130、总线板140、数字板150和模拟板160分别通过电源板插槽111、主控板插槽112、总线板插槽113、数字板插槽114和模拟板插槽115与扩展插槽板111连接。

本发明的主控板插槽112和总线板插槽113均设置有地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口，其中，主控板插槽112的16位地址总线信号接口221、16位数据总线信号接口222和中断信号接口224分别与总线板插槽113中工业总线主栈协议专用芯片的16位地址总线信号接口231、16位数据总线信号接口232和中断信号接口234。而主控板插槽112的RGMII信号接口223则与总线板插槽113中通用以太网网卡芯片的RGMII信号接口233连接。

本发明的主控板插槽112还设置有数字量输入/输出信号接口225和模拟量输入/输出信号接口226，数字板插槽114设置有外部数字量输入/输出信号接口241，模拟板插，115设置有外部模拟量输入/输出信号接口251，其中，主控板插槽112的数字量输入/输出信号接口225与数字板插槽114的外部数字量输入/输出信号接口241连接，实现工业机器人控制器硬件平台支持外部8路数字量信号输入和8路数字量信号输出；主控板插槽112的模拟量输入/输出信号接口226与模拟板插槽115的外部模拟量输入/输出信号接口251连接，实现工业机器人控制器硬件平台支持外部2路模拟量电压信号输入、2路模拟量电流信号输入和2路模拟量电压信号输出。

本发明的电源板120作为主控板130、总线板140、数字板150和模拟板160的供电电源，并采用级联电源供电的方式以5V和3.3V作为电源输出，以满足各个功能板的芯片供电电源要求。如图3所示，该电源板120由输入端子302、ESD静电吸收电路303、防反接电路304、前置滤波器305、DC-DC降压电路306、输出端子308以及外围电路连接组成，其中，前置滤波器305由轭流电感和滤波电容连接组成。电源板120还包括LDO电路307，DC-DC降压电路306包含两级电压转换电路：由24V电源转换为12V电源，然后有12V电源再转换为5V电源，5V电源输入LDO电路307，转换为3.3V电源，以5V和3.3V作为电源输出，同时通过输出端子308向外部提供稳定的24V直流电源。

该电源板120的工作原理为：电源板120通过3位输入端子302将外部24V/GND/PE信号接入，先后经过ESD静电吸收电路303、防反接电路304以及由轭流电感和滤波电容组成的前置滤波器305，将24V稳定电源信号输入DC-DC降压电路306，同时通过输出端子308向外部提供稳定的24V直流电源。其中，DC-DC降压电路306包含两级电压转换电路，首先由24V电源转换为12V电源，然后有12V电源再转换为5V电源，5V电源输入一个LDO电路307，转换为3.3V电源，共同作为电源板插槽接口301为下级插槽提供供电电源，同时通过输出端子308向外部提供稳定的24V直流电源。

如图4所示，本发明的主控板130由作为基础的主控CPU最小系统，主控板插槽接口410，作为主控CPU最小系统外围组成电路430：复位电路431、DDR RAM电路432、NAND FLASH电路433、NOR FLASH电路434、用于系统软件掉电数据快速存储的FRAM电路435，以及外围电路连接组成，其中，主控板插槽接口410包括与主控板插槽112对应的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口、RGMII信号接口、数字量输入/输出信号接口和模拟量输入/输出信号接口，主控CPU最小系统设置有与主控板插槽接口410对应的总线端口420。

主控CPU最小系统包括向外部提供设备扩展接口的电路，分别为USB设备接口电路440、以太网设备接口电路450和串行设备接口电路460，其中，USB设备接口电路440通过USB主机接口以提供2路USB设备端口，以太网设备接口电路450通过SPI接口连接W6100以太网协议栈芯片及RJ45接口以提供1路标准以太网通信端口，串行设备接口电路460通过UART接口连接RS232/485转换芯片以提供1路串行通信设备连接端口。

如图5所示，本发明总线板140由工业总线主栈协议专用芯片530、通用以太网网卡芯片520、总线板插槽接口510、单向输出传输电路534、单向输入传输电路535、双向通信传输电路522以及外围电路连接组成，其中，该总线板140为兼容支持基于工业总线主栈协议专用芯片530的工业总线类型，总线板插槽接口510包括与总线板插槽113对应的地址总线信号接口、数据总线信号接口、中断信号接口和RGMII信号接口。工业总线主栈协议专用芯片530设置有与总线板插槽接口510对应的端口，分别为16位地址总线信号端口533、16位数据总线信号端口532和中断信号端口531，而通用以太网网卡芯片520设置有与总线板插槽接口510对应的RGMII信号端口521。

单向输出传输电路534、单向输入传输电路535和双向通信传输电路522均由PHY芯片和带有RJ45接口的集成网络变压器连接组成。工业总线主栈协议专用芯片530依次与单向输出传输电路534的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输出，实现与总线从栈设备建立数据输出通信；工业总线主栈协议专用芯片530依次与单向输入传输电路535的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输入，实现与总线从栈设备形成冗余通信；通用以太网网卡芯片520依次与双向通信传输电路522的PHY芯片和集成网络变压器连接并通过RJ45接口输出/输入，实现与总线从栈设备建立全双工数据通信。

如图6所示，本发明数字板150由与外部设备输入端621连接的RC滤波电路622、光耦隔离器件一623、数字板插槽接口、上拉信号电路、与输出外部设备端连接的光耦隔离器件二631以及外围电路连接组成；其中，数字板插槽接口包括有与数字板插槽114的外部数字量输入/输出信号接口相对应的系统硬件输入端口620和系统硬件输出端口630。

光耦隔离器件一623的输入端与RC滤波电路622连接，输出端连接上拉电阻624，并与电源板120提供的输入电源610形成上拉信号电路，并与系统硬件输入端口620连接。光耦隔离器件二631的输入端与系统硬件输出端口630连接，输出端连接下拉电阻632，且作为外部数字量信号输出，并与输出外部设备端633连接。

数字板150的工作原理为：数字板150支持8路数字量信号输入，外部设备输入端621经过一个RC滤波电路622，并连接光耦隔离器件一623的输入端。光耦隔离器件一623的输出端连接一个上拉电阻624，并与输入电源610形成上拉信号电路，且经过系统硬件输入端口620与主控板130对应的数字量输入/输出信号接口建立连接。数字板150支持8路数字量信号输出，经过系统硬件输出端口630将主控板130对应的数字量输入/输出信号接口信号连接光耦隔离器件二631的输入端，光耦隔离器件二631的输出端连接一个下拉电阻632，且作为外部数字量信号输出，并与输出外部设备端633连接。

如图7所示，本发明模拟板160由与电源板120提供输入电源710连接的电源前置滤波器711、输入参考电源电路713、输出参考电源电路712、电压输入滤波器731、输入电压转换电路732、电流输入滤波器733、输入电流转换电路735、输出电压滤波器721、输出电压转换电路722、模拟板插槽接口以及外围电路连接组成，其中，模拟板插槽接口包括有与模拟板插槽115的外部模拟量输入/输出信号接口相对应的电压/电流型模拟量输入端口730和电压型模拟量输出口720。

电源前置滤波器711由电感元件和RC电路连接组成，输入参考电源电路713和输出参考电源电路712均由稳压电源芯片和RC电路连接组成，电源前置滤波器711分别与输入参考电源电路713和输出参考电源电路712连接。电压输入滤波器731由电感元件和RC电路连接组成，输入电压转换电路732由电压输入比较运算放大器、RC电路和钳位电路连接组成。输入参考电源电路713与电压输入滤波器731分别与输入电压转换电路732的输入端连接，输入电压转换电路732的输出端与电压/电流型模拟量输入端口730连接。

电流输入滤波器733由电感元件和RC电路连接组成，输入电流转换电路735由电流输入比较运算放大器、RC电路和钳位电路连接组成。电流输入滤波器733通过高精度采样电阻734与输入电流转换电路735的输入端连接，输入参考电源电路713与输入电流转换电路735的输入端连接，输入电流转换电路735的输出端与电压/电流型模拟量输入端口730连接。

输出电压转换电路722由电压输出比较运算放大器和钳位电路连接组成。电压型模拟量输出口720通过由RC电路作为的输出电压滤波器721与输出电压转换电路722的输入端连接，输出参考电源电路712与输出电压转换电路722的输入端连接；输出电压转换电路722的输出端作为外部模拟量电压输出信号的输出端。

本发明模拟板160的工作原理为：电源板120提供输入电源710依次通过电源前置滤波器711和输入参考电源电路713得到输入参考电源，电源板120提供输入电源711依次通过电源前置滤波器711和输出参考电源电路712得到输出参考电源。模拟板160支持两路外部电压模拟量信号输入，外部电压模拟量信号输入电压输入滤波器731得到输出信号，其中，电压输入滤波器731的输出信号与输入参考电源电路713的输入参考电源一同作为输入电压转换电路732的输入端的输入信号，输入电压转换电路732的输出端通过电压/电流型模拟量输入端口730与主控板130对应的模拟量输入/输出信号接口建立连接。

模拟板160支持两路外部电流模拟量信号输入，外部电流模拟量信号输入电流输入滤波器733得到输出信号，其中，电流输入滤波器733经过一个高精度采样电阻734的输出信号与输入参考电源电路713的输入参考电源一同作为输入电流转换电路735的输入端的输入信号，输入电流转换电路735的输出端通过电压/电流型模拟量输入端口730与主控板130对应的模拟量输入/输出信号接口建立连接。

模拟板160支持两路外部电压模拟量信号输出，电压型模拟量输出端口720将主控板130对应的模拟量输入/输出信号接口的信号连接输出电压滤波器721得到输出信号，其中，输出电压滤波器721的输出信号与输出参考电源电路712的输出参考电源共同作为输出电压转换电路722的输入端的输入信号；输出电压转换电路722的输出端作为外部模拟量电压输出信号的输出端。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。