機電一體化控制系統開放體系結構設計

摘要：縱觀機電一體化的發展歷程，可以看出機電一體化的過程是一個集成化的過程，機電一體化控制系統的開放體系結構具有可移植性、檔次皆宜性以及可互換性等特點，機電一體化控制系統開放體系具有不同層次結構設計，主要表現在系統層的開放設計、應用軟件層的開放化設計以及接口控制層的開放化設計，其中柔性化接口主要適用于接口標準不確定情形。

關鍵詞：機電一體化;控制系統;開放體系;結構設計

中圖分類號：TP 文獻標識碼：A 文章編號：1671-864X（2015）02-0074-01

機電一體化是集計算機技術、微電子技術及自動化技術等于一體的先進技術。機電一體化控制系統面向市場，能夠滿足不同產品的需求，對系統進行開放性的設計。在過去，一些應用軟件還缺乏一定的可持續發展能力，這些軟件的適用范圍比較小，擴展起來十分困難。每個系統或產品的標準都是不一致的，使得這些比較傳統的軟件很難實現系統之間的相互融合，不能發揮出系統應有的作用。本研究即是要探討一種新型的控制系統，對系統的體系結構進行開放性的設計，使機電一體化系統具有一定的擴展功能和實用意義。

一、開放體系結構設計

（一）開放體系結構的特征

一般來說，開放體系具有可移植性、可互操作性、檔次皆宜性以及可互換性等特征?？梢浦残允侵笐密浖氖褂煤推涫褂玫南到y沒有關系，也就是說應用軟件可以在A系統所提供的環境下運行，也可以在B系統所提供的環境下運行;可操作性是指在集成的環境條件下，控制系統可以和不同的系統相互連接，實現協同工作;檔次皆宜性是指控制系統規模與功能可以隨著應用場合作出相應的改變或者調整;可互換性是指控制系統中各個部件按照功能及可靠性相互之間可以替代，在構成機電一體化控制系統開放體系結構的系統是不會受制于任何供應商，也不需要為版權費用付出沉重的代價。

（二）開放式體系結構的意義

開放式系統結構能滿足客戶的不同需求，針對不同的產品制定出不同的生產方案。開放式體系結構能夠滿足客戶對于軟件不同層次的需求。此外，從實用的角度進行分析，開放式體系結構的設計可以將各種各樣的應用集成在一起，能夠極大地降低用戶訪問時間和訪問的成本。這種系統的功能更強大，還具有相對較低的價格。開放式體系結構的研究和發展能夠反映出我國制造業領域的發展水平，而且能大大縮短我國制造業與發達國家水平之間的差距。

二、機電一體化控制系統開放體系中不同層次結構的設計

（一）典型的控制系統

典型的控制系統通常是由人機接口模塊、輸出或輸入模塊、基本的系統模塊和專用的模塊等部分組成。一般來說， 能夠保證控制系統的最低端的軟件模塊稱為基本的系統模塊。與個人的電腦相比較而言， 微機系統更具有實時性， 而且能夠很快的適應所使用環境， 比個人的電腦更具可靠性和使用價值， 基本的微機系統都具有比較低廉的價格， 當系統出現故障時， 修理起來也是比較便捷。輸入或輸出模塊是鏈接人機接口和基本系統模塊的中間環節， 而專用模塊則是專門用于一種軟件的模塊， 其專用性比較強。

（二）系統層設計的開放化

我們可以根據控制系統軟件層加載方式的不同分為2類：一類是系統的軟件系統，另一類是硬件系統，2個系統之間存在很大的聯系。這是根據不同的產品和不同的組合，把系統軟件固化在系統硬件的ROM 中，因此在軟件執行模式的基礎上，還可根據軟件系統的操作形式，將軟件操作系統在RAM 中運行，或者直接在ROM 中操作。由于個人電腦的快速發展，PC技術逐漸被引入到PC的開放式數控系統進行操作，這樣能夠大大提高系統的控制效率。

（三）系統層與應用軟件層之間的開放化設計

采用通用操作系統，可以保證系統的可靠性，通用操作系統已經得到了廣泛的應用，人們通過以此系統為基礎開發了很多軟件，這些軟件基于共同的系統接口可以避免重復編程，效益得到了極大地提高。通用操作系統的內部核心資料是公開的，因此掌握通用操作系統的細節，可以根據設計需要進行相關的重組，從而在應用軟件層上開發出更好的軟件。由于機電一體化是實時任務系統，簡單的通用操作系統不能夠完全滿足要求，還需要采用實時多任務操作系統，比如AMX操作系統、VRTX嵌入式操作系統以及QNX操作系統等。

（四）應用軟件層的開放化設計

應用軟件層可以為操作人員提供良好的人機界面，可以將一些無關聯的設備聯系到一起，還可以提供資源管理程序的操作系統接口。對應用軟件進行開放性的設計，這樣可以進行開放性的控制。首先應基于開放式應用軟件層，根據系統需要實現的功能，基于數據流的模塊化設計方法，以實現數字控制系統的規劃與設計，使控制系統的功能能夠有效實現。然后，對應用層模塊進行有效劃分，將應用軟件層的開放式人機界面和開放系統核心接口根據其需要實現的功能進行開放性的設計。應用軟件的核心就是要實現實時控制，所以，對于系統的設計，其核心部分就是使應用軟件完成實時控制和有效調度。最后，對于開放式體系結構的設計，所有的人機接口都應進行模塊化控制，確保系統界面擁有一個統一的風格，加強操作人員的操作培訓，使其操作技能不斷的提高。

（五）接口控制層的開放化設計

接口控制層的開放化設計對于機電一體化控制系統開放體系結構設計來說是最重要和最關鍵的內容。一般來說，接口控制層主要是處理系統中一些比較復雜的問題，因為它在系統結構中控制的對象比較繁多， 不僅與總線相互連接著，還與一些其他的外部接口相連接在一起，因此，接口控制層的開放化設計對機電一體化控制系統體系非常重要，不可或缺。目前我國設計接口控制層的方法主要分為兩種，一種是用直接的方式，另外一種是利用間接的方式。通過這兩種方式對接口控制層進行設計，大大的提高了機電一體化控制系統的處理效率和工作質量。

三、結束語

在機電一體化控制系統開放化設計中，開放體系在層面上具有不同的結構設計，最重要的一點就是接口控制層的開放化設計。輸出或輸入模塊、基本的系統模塊和專用模塊等組成部分的主要結構設計表現在應用軟件層、系統層和接口控制層的開放化設計上。隨著機電一體化應用范圍的不斷擴大， 機電控制的優越性得到了廣泛認可，并且得到了快速發展， 為現代化工業的發展奠定了堅實的基礎。

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