計算機與機電一體化技術的整合

白斯琴

摘 要 無論是計算機技術還是機電一體化技術都是20世紀后期才繁榮發展起來的技術，這兩類技術都對人類的生活方式以及生產活動造成了巨大的影響。科技的發展也帶來了更為復雜的依靠單一手段很難處理的問題，這必然就需要跨學科協作，而技術與技術之間的整合往往會碰撞出絢爛的花火，比如將計算機超強的運算控制能力通過通訊技術與機電一體化技術進行整合將會是一個很有前景的課題。

關鍵詞 計算機技術；機電一體化

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0002-02

顧名思義，機電一體化這門學科本身就不是一種單一的構成，它的英文單詞mechatronics就是由機械學的英文詞頭與電子學的英文詞尾構成。很明顯這是主要以傳統的機械技術加上新興的電子技術為主體，由多門學科相互交叉融合的邊緣學科。雖然機電一體化起步時間較晚，但是由于其對于工業生產的重要作用和廣闊的應用前景而發展迅速，可以說機電一體化技術為人類的工業化大生產做出了重要的貢獻，信息處理技術、傳感與測試技術、伺服驅動技術、微電子技術等高新技術的不斷發展、注入為機電一體化技術的發展帶來了巨大的活力，解決了以往很難單憑一種技術解決的問題，使得人們能夠處理的問題規模愈加龐大。科技的發展永無止境，機電一體化的發展也需要一直進行下去，雖然電子技術與計算機技術有諸多的重復之處，但計算機卻有著更為龐大的運算、控制能力，在一些需要大規模管控的系統中，計算機技術與機電一體化技術的整合便變得非常的有意義了。

1 整合的意義與可能性

一門新技術的誕生需要兩個條件：一是科技的進步，沒有科技力量的支撐即使有心也是無力；二是社會的需求，沒有需求作為動力也就沒有了研究的價值。對于機電一體化也同樣如此，機械技術、電氣技術、微電子技術等技術的發展為其提供了堅實的基礎；人們對生產與生活中的各種相關產品的質量與品種的需求為其提供了充足的動力，這是機電一體化能夠誕生的條件，對于計算機技術與機電一體化技術的整合也可以從這兩方面考慮。

從科技角度上講，首先計算機技術的發展極為迅速，分支眾多，其中不乏對機電一體化有用的類別，比如適應力更強的人工智能算法、更加高效率的集成控制系統設計等等。由于硬件條件所限，電子技術與計算機相比有著諸多的不足之處，計算機技術完全可以彌補這些不足，為機電一體化技術再添活力，作為橋梁的通訊技術的成熟與微電子芯片的運算能力的發展也為機電產品與計算機的融合提供了可能。

先不談復雜的協同操作，僅以圖像識別為例，對于復雜的圖像識別，往往需要運算量巨大的算法支持，而機電一體化中承載的運算能力根本就不足以完成這個任務，顯然使用計算機的性價比更高也更加的靈活。電子與計算機的通信也可以很好的解決，采用通用的如IIC，SPORT，SPI或者串口等，也可以自設計一些針對性更強的通訊協議保障機電一體化產品與計算機的通訊。

從需求角度來講，小型的問題對機電一體化的要求并不是非常突出，但是大型的問題卻是很有需求。機電一體化主要是機械與電子的結合，雖然應用了許多高新的技術手段大大的提升了各類性能參數，但伴隨著問題的增長一味的提升電子技術能力便變得有些不合適了。最明顯的一個例子就是協同操作上，如果機電一體化產品既要兼顧自己的任務執行又要與其他機電一體化產品通訊交流，那么對它的要求就有些越界了，更重要的是有可能機電一體化產品根本就不會知曉它需要與誰協同，這就需要一個類似大腦的角色來處理。面對此類問題，計算機與機電一體化技術的整合便顯得非常有必要。

2 重要的兩個技術問題

1）采用何種通信協議。計算機與機電一體化產品之間的整合必然離不開相互的通訊，第一個需要考慮的問題是通訊問題。計算機需要知道機電一體化產品的狀態，有時也需要能夠控制機電一體化產品動作，如果對實時性要求高的話還需要有快速通訊的能力。綜合以上情況，便知采用何種通信方式很重要，決定這一問題需要從兩個方面考慮。

將通訊協議標準化，即采用一個標準的通信協議。這樣做的好處是可以獲得很大的兼容性，可以與其他產品較好的一起工作，將機電一體化產品做成了一個可替換的小模塊，提供了該模塊支持的接口，只要符合這個接口那么就可以納入到整個系統中來。這樣對于用戶而言就有了更多的選擇余地，而且維護成本會下降，比如將智能洗衣機、智能燈具等智能家居產品與計算機或者手機的整合。

采用自己獨特的通訊協議，做一個封閉的系統。生產廠家這樣做第一是可以優化通訊協議，其針對性較強，廠家可以盡可能的提升產品的性能而不用考慮兼容性問題，第二是如果廠家競爭力較強的話，一套封閉的系統可以保證不被其他廠家染指，從而獲取更高的利潤，比如大型工業生產系統。

2）系統大致框架設計。當前的機電一體化產品非常的豐富，從工業生產裝備到智能家居都有所涉獵，雖然應用方向不同但是由于計算機和機電一體化產品的特性決定了它們在整合后系統中各自的地位與作用是相似的。在機電一體化產品中，機械設備、探測設備等均為執行機構，電子設備為控制機構，整合后的機電產品應該作為一個具有一定獨立執行能力的執行機構，將計算機作為調度控制機構，大致的層級如下。

這是一種最為簡單的整合框架。在系統中，機電產品只需要能夠完成自己的工作，并向上提供自身狀態即可，計算機接受所有機電產品的狀態并進行資源整合，必要時對機電產品下達指令完成任務。

對于整個系統來講，這樣做模塊化較高，維護成本降低。首先在復雜系統中降低了對機電產品的要求，一個機電產品不需要與其他機電產品相互溝通，做好本職工作即可，一旦出現問題僅需要將出問題部分更換，對系統的沖擊較小，維護費用較低。模塊化帶來的另一個好處是后期升級方便，無論是想替換系統中某一個機電產品還是升級整個的系統控制方式都可以很方便的進行。

具體的系統設計因使用不同而不同，但框架與設計思路是一定的，都是以計算機作為大腦以機電產品作為身體進行設計，在更復雜的系統中可能還會需要將簡單系統作為一部分融入到整個系統中作為一個類似簡單系統中機電產品的角色。在工業生產中可能這種整合更加的嚴密些，在類似智能家居這種松散不確定的系統中可能會寬泛些，但無論怎樣，整合后的系統都可以更大程度上發揮機電產品的能力，更加高效節約的完成資源調配，最重要的是可以用來解決更多難以依靠單一機電產品解決的問題。

3 結束語

由于生產力的進步與發展，人們對于生活方式和生產方式都提出了更高的要求，現有的機電產品雖然發展較快但是許多都處于獨自為戰的狀態，不僅難于管理且維護、升級成本較高，而利用計算機的集成能力整合機電產品是一個很好的解決思路，無論是創建智能家居聯合網絡系統為生活提供方便還是集成種類繁多的機電產品去完成工業生產都需要將計算機技術與機電一體化技術整合，在物聯網時代即將到來的今天，機電產品整合是大勢所趨。

參考文獻

[1]俞竹青.機電一體化系統設計[M].電子工業出版社，2011.endprint