基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

段 純 馮 攀

（安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230601）

0.引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，許多先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)紛紛被應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，從而在很大程度上提高了我國(guó)的生產(chǎn)力，促進(jìn)了各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)化、智能化提升。嵌入式系統(tǒng)是現(xiàn)代化技術(shù)中的重要技術(shù)，其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，使我國(guó)工業(yè)化水平得到了顯著提高，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠減少企業(yè)對(duì)人力資源的投入，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)，可以說(shuō)，以嵌入式系統(tǒng)為支撐的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，給我們的生活帶來(lái)了極大的便利。而本文便針對(duì)嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制領(lǐng)域中的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行深入的研究，以此探討嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制領(lǐng)域中所具備的應(yīng)用價(jià)值。

1.嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是圍繞應(yīng)用展開(kāi)的，而其基礎(chǔ)則是計(jì)算機(jī)技術(shù)，其以功能需求為指引來(lái)對(duì)軟硬件進(jìn)行截剪，以使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)后能夠滿足低成本、可靠性、低功耗等要求。嵌入式系統(tǒng)主要具備系統(tǒng)精簡(jiǎn)、專(zhuān)用性強(qiáng)、微內(nèi)核及高實(shí)時(shí)性等較為鮮明的特點(diǎn)，這也使其在機(jī)電控制領(lǐng)域中尤為適用。嵌入式系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的根本區(qū)別在于，其是由存儲(chǔ)器、嵌入式微處理器或微控制器、軟件以及I/O 端口所組成。其中，軟件又是采用RTOS 開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件，嵌入式系統(tǒng)將應(yīng)用軟件與操作系統(tǒng)進(jìn)行緊密的結(jié)合與集成，這也是嵌入式系統(tǒng)與Windows 應(yīng)用系統(tǒng)之間的主要差異，并且是保障嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與可靠性的重要前提。

2.嵌入式系統(tǒng)中的微型處理器及RTOS

2.1 嵌入式系統(tǒng)中的微型處理器

在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用了許多現(xiàn)代化信息處理技術(shù)，以便于對(duì)信息進(jìn)行高速傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的控制。可以說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)為工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠而便捷的控制方法，推動(dòng)了我國(guó)工業(yè)化水平的發(fā)展。目前我國(guó)所采用的嵌入式系統(tǒng)在技術(shù)水平上和其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚存在一些差異，嵌入式系統(tǒng)的普及程度及應(yīng)用水平也較低，但隨著我國(guó)對(duì)科學(xué)技術(shù)水平研發(fā)的日益重視，嵌入式系統(tǒng)也已成為我國(guó)諸多專(zhuān)家和學(xué)者的主要研討話題，并促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中的推廣與應(yīng)用，使嵌入式系統(tǒng)不僅能夠控制生產(chǎn)設(shè)備，還能有效監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而保障設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的可靠性與穩(wěn)定性，使生產(chǎn)效率得到了極大提高。嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制設(shè)備中的應(yīng)用，為機(jī)電領(lǐng)域生產(chǎn)效率的提高創(chuàng)造了有利條件，其能夠?qū)C(jī)電設(shè)備實(shí)施高效的監(jiān)控與調(diào)節(jié)，并通過(guò)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的流程來(lái)進(jìn)行工作，從而有效減少和避免了人為失誤原因給機(jī)電設(shè)備帶來(lái)的影響，使生產(chǎn)模式得以智能化。由此可對(duì)嵌入式系統(tǒng)的功能進(jìn)行總結(jié)、整理與歸納：其一，CPU 內(nèi)核為ARM7TDMI ARM Thumb 并其自帶8KB 緩存；其二，外部總線接口為完全可編程，并能對(duì)64M 的尋址空間予以支持；其三，基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)具備優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，其能夠?qū)ο蛄恐袛嗫刂破鬟M(jìn)行單獨(dú)屏蔽，并在外部設(shè)置了四個(gè)中斷源；其四，機(jī)電控制系統(tǒng)具有3 通道16 位定時(shí)的計(jì)數(shù)器；其五，系統(tǒng)中包含有可進(jìn)行編程的看門(mén)狗定時(shí)器；其六，系統(tǒng)具備兩個(gè)USART，并且其是相互獨(dú)立的；其七，系統(tǒng)的省電特性更加先進(jìn)。

2.2 嵌入式系統(tǒng)中的RTOS選擇

現(xiàn)階段，我國(guó)在嵌入式系統(tǒng)中主要選用兩種RTOS，分別是免費(fèi)型與商用型，免費(fèi)型RTOS 主要包括Linux 與μ.C/OSII，而Linux又分為RT-Linux與uLinux兩類(lèi)。商用型RTOS則主要包括VxWork、WindowsCE4.0 及PalmOS 等，這幾類(lèi)商用型RTOS 的適用范圍不同，其中CE4.0 在消費(fèi)型電子設(shè)備中適用，Palm OS 在PAD 產(chǎn)品中適用，而VxWork 則在交換設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)中適用。通過(guò)對(duì)VxWork、RT-Limux及μC/OSII 這三種嵌入式RTOS 進(jìn)行硬件平臺(tái)、任務(wù)切換及中斷響應(yīng)這三個(gè)方面的性能對(duì)比，本文將μC/OSH 當(dāng)作機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的RTOS。μ.C/OSII 具備以下鮮明的特點(diǎn)：其一，RTOS 中包含有相應(yīng)的公開(kāi)源碼，這使其能夠?yàn)橄到y(tǒng)軟件的移植及其二次開(kāi)發(fā)提供了有利條件；其二，RTOS 具備很強(qiáng)的可移值性，其大部分公開(kāi)源碼都是由ANSI C 進(jìn)行編寫(xiě)的，僅有少部分公開(kāi)源碼是以匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)的；其三，RTOS 具備可固化特征，其內(nèi)核較為微小，能夠?qū)?yīng)用程序在FLASHROM 中進(jìn)行固化；其四，RTOS 具備可裁剪性，其是以條件編譯來(lái)進(jìn)行軟硬件裁剪的，從而使RTOS 變得更加方便；其五，RTOS 的占先式是確保其達(dá)到實(shí)時(shí)性應(yīng)用要求的可靠保證； 其六，RTOS 能夠?qū)?4 個(gè)任務(wù)進(jìn)行同時(shí)管理和控制； 其七，RTOS 的可確定性是其能夠得知應(yīng)用過(guò)程中所調(diào)用的函數(shù)及其服務(wù)執(zhí)行時(shí)間；其八，RTOS 的服務(wù)很多，比如信號(hào)量、消息隊(duì)列等；其九，RTOS 能夠同時(shí)對(duì)255 層進(jìn)行中斷管理服務(wù)。

3.基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

3.1 硬件結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

在基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，主要是利用Stewart來(lái)完成的，Stewart平臺(tái)是一個(gè)機(jī)械手平臺(tái)，機(jī)械手?jǐn)?shù)量共六個(gè)，并具備大射電望遠(yuǎn)鏡指向跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)可當(dāng)作Stewart平臺(tái)中的饋源艙精調(diào)子系統(tǒng)，這使Stewart 中的機(jī)械手能夠進(jìn)行高實(shí)時(shí)性和高精度的運(yùn)動(dòng)，饋源艙定位精度對(duì)機(jī)械手的控制精度有著直接影響，并關(guān)系到Stewart平臺(tái)的可靠性，對(duì)體積也有很高要求。本文列舉了三種Stewart機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案，第一種是PC+伺服驅(qū)動(dòng)器+PMAC，在開(kāi)發(fā)成本上較高，但其可靠性也較高，不過(guò)其不具備可擴(kuò)展性，對(duì)系統(tǒng)的適用性較差。第二種是PC+定時(shí)卡+DA 卡+編碼器卡+伺服驅(qū)動(dòng)器+算法，在開(kāi)發(fā)成本上較為一般，可靠性則較差，具備一定的可擴(kuò)展，對(duì)系統(tǒng)的適用性程度一般；第三種是伺服驅(qū)動(dòng)器+嵌入式控制器，其開(kāi)發(fā)成本較低，性價(jià)比與可靠性都較高，可擴(kuò)展性也較好，能夠有效適用于本系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文選取第三種開(kāi)發(fā)方式來(lái)作為機(jī)電控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。在該Stewart平臺(tái)的機(jī)電控制系統(tǒng)中，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分，分別是存儲(chǔ)器、編碼器接口、DA 接口、RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口兩個(gè)、ISA 總線接口一個(gè)以及狀態(tài)指示燈，其中，存儲(chǔ)器為2MBSDRAM以及1MB 的線性FlashROM，其能夠?qū)?yīng)用軟件及RTOS 進(jìn)行存儲(chǔ)；編碼器接口則被設(shè)計(jì)為六路，并包含有辨向電路與脈沖細(xì)分邏輯；DA接口則是六路12 位獨(dú)立的電路接口，該接口能夠?qū)⑤敵瞿M量當(dāng)作伺服放大器的輸入量；RS232 接口則負(fù)責(zé)對(duì)主機(jī)的控制指令進(jìn)行接收。ISA 總線接口則被插入到嵌入式系統(tǒng)中的ISA 槽中，其能夠?qū)C機(jī)的控制指令進(jìn)行接收，以使工控模式標(biāo)準(zhǔn)化。狀態(tài)指示燈則能夠?qū)ο到y(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)及其各個(gè)通道的實(shí)際情況進(jìn)行指示。在上述接口中，其通訊格式均使用自帶校驗(yàn)功能的自定義格式。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

在基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，其軟件結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)主要是采用μC/OS 當(dāng)作RTOS 開(kāi)發(fā)軟件。在軟件結(jié)構(gòu)中共由六個(gè)管理部分組成，分別是多任務(wù)管理、ISA 接口管理、內(nèi)存資源管理、中斷管理、伺服電機(jī)ADRC 算法、UART 接口管理以及中斷管理。在多任務(wù)管理、中斷管理及內(nèi)存資源管理中，是利用μC/OS 進(jìn)行編寫(xiě)的，其中和接口有聯(lián)系的中斷服務(wù)程序則是由用戶進(jìn)行編寫(xiě)的，其他管理部分是由用戶進(jìn)行編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在電機(jī)控制中，主要是通過(guò)PID 控制方法來(lái)進(jìn)行控制的，而本文中對(duì)電機(jī)的控制則是使用ADRC 算法。此外，為了使算法的控制效果更高，還要對(duì)原有的ADRC 算法進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，利用變參數(shù)思想來(lái)提高控制效果。

3.3 μC、C/OS移植

在基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，采用μC/OS 進(jìn)行移植時(shí)主要由以下工作組成，其一是對(duì)OS_CPU 文件中的堆棧寬度和九大類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行定義； 其二是使用#define 對(duì)堆棧增長(zhǎng)方向進(jìn)行表示的常量進(jìn)行設(shè)置。其三是采用#define 對(duì)三個(gè)宏進(jìn)行聲明。其四是對(duì)六個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)利用C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)；其五是對(duì)四個(gè)匯編語(yǔ)言中的函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)；根據(jù)上述嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的軟硬件設(shè)計(jì)思路，便可以對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)中的Stewart平臺(tái)伺服控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種開(kāi)發(fā)思路來(lái)對(duì)Stewart平臺(tái)進(jìn)行控制，能夠使機(jī)電控制平臺(tái)對(duì)期望信號(hào)進(jìn)行良好的跟蹤，同時(shí)還能在短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)不會(huì)受到干擾的影響。

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)成為我國(guó)諸多專(zhuān)家和學(xué)者的一大熱門(mén)研究話題，利用嵌入式系統(tǒng)來(lái)對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，能夠顯著提高系統(tǒng)的可靠性、功耗及其性價(jià)比，從而使機(jī)電控制系統(tǒng)在機(jī)電領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步的發(fā)揮。而在不久的將來(lái)，隨著嵌入式系統(tǒng)研究的不斷深入，其必將在各類(lèi)機(jī)電控制系統(tǒng)中得到更加廣泛的應(yīng)用，進(jìn)而使系統(tǒng)的綜合性能及控制效果變得更加良好。