嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制中的應(yīng)用

李林

摘? 要：隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，智能化設(shè)施不斷應(yīng)用于我們生活的方方面面，從智能穿戴到智能交通，這時(shí)候產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)都離不開嵌入式技術(shù)的發(fā)展，而嵌入式最大的特點(diǎn)就是低功耗和便攜性。嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制中的應(yīng)用功能主要包括了硬件和軟件兩個(gè)環(huán)節(jié)，在開發(fā)過程中需要使用不同的平臺(tái)和技術(shù)。因此本文主要介紹了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制中的相關(guān)問題，希望給相關(guān)人員一定的啟示作用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)? 機(jī)電控制? 低功耗? 發(fā)展

中圖分類號(hào)：TP368.1 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（c）-0047-03

Abstract： With the continuous development of information technology， intelligent facilities are continuously used in all aspects of our lives， from smart wear to smart transportation. At this time， the realization of product functions is inseparable from the development of embedded technology， and the biggest feature of embedded is low power consumption and portability. The application function of embedded system in electromechanical control mainly includes two links of hardware and software. Different platforms and technologies need to be used in the development process. Therefore， this article mainly introduces the related problems of embedded system in electromechanical control， and hopes to give some inspiration to relevant personnel.

Key Words： Embedded system; Electromechanical control; Low power consumption; Development

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速的發(fā)展，人們生活的智能化水平越來越高。近些年智能穿戴、智能交通、智能城市、智能家居等一系列的概念出現(xiàn)在人們生活當(dāng)中，這些技術(shù)的應(yīng)用都離開嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。嵌入式技術(shù)以其低功耗、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，大大提高了人們的生活水平[1]。

1? 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展概述

嵌入式系統(tǒng)一種常見的處理單元是基于單片機(jī)技術(shù)，這種系統(tǒng)能夠完成相應(yīng)的專用任務(wù)，在系統(tǒng)構(gòu)成方面主要包括了中央處理單元（單片機(jī)）、硬件設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）、以及相應(yīng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（u-cos系統(tǒng)）等組成，能夠完成通信控制、數(shù)據(jù)分析和管理等功能。它的核心設(shè)備是單片機(jī)設(shè)備，能夠?qū)τ谙鄳?yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析和計(jì)算，不同型號(hào)的單片機(jī)的計(jì)算能力不同，對(duì)于不同控制任務(wù)所需要的單片機(jī)也要求不同。

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中，尤其是隨著通信技術(shù)（5G）以及智能控制算法的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場景越來越多，它的應(yīng)用大大提高了人們生活水平的質(zhì)量。目前在單片機(jī)核心單元制造上與外國水平還存在著一定的差距，我國目前只能生產(chǎn)一些計(jì)算位數(shù)較低單片機(jī)（8位單片機(jī)），在16位、32位單片機(jī)以及更高位數(shù)的單片機(jī)的設(shè)計(jì)制造方面與國外還有很大的差距。因此研究嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于促進(jìn)我國行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義[2]。

2? 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)部署到具體的平臺(tái)上，還需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求來合理地選擇相應(yīng)的設(shè)備型號(hào)以及設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制算法，從而更好地保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要充分利用控制單元的資源，根據(jù)不同的設(shè)備設(shè)計(jì)不同的控制算法和選擇不同型號(hào)的控制單元，平時(shí)要對(duì)于相關(guān)寄存器進(jìn)行合理的設(shè)置，保障所有設(shè)備能夠工作在最合適的狀態(tài)下。另外為了更好保障系統(tǒng)規(guī)范化和合理化發(fā)展，還需要通過利用相應(yīng)的仿真軟件對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的功耗問題以及運(yùn)行故障進(jìn)行相應(yīng)的仿真和計(jì)算，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題，從而制定相應(yīng)的解決方案，保障嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展[3]。

3? 嵌入式系統(tǒng)的微內(nèi)核

微核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用能夠提高嵌入式系統(tǒng)代碼的移植性和擴(kuò)展性，但是隨著嵌入式系統(tǒng)規(guī)模化和集成化的發(fā)展，使得微內(nèi)核設(shè)計(jì)的內(nèi)容更加復(fù)雜，這就對(duì)于設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)方案提出了更高的要求。過于復(fù)雜的微內(nèi)核設(shè)計(jì)會(huì)極大地增加系統(tǒng)的功耗，阻礙系統(tǒng)的運(yùn)行的性能。尤其時(shí)代進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，使得單片機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)指數(shù)倍數(shù)的增長，這樣對(duì)于微內(nèi)核的性能提出了更高的要求，這就需要對(duì)于微內(nèi)核進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效提高嵌入式系統(tǒng)的性能。另外對(duì)于微控制器來說，它的能量主要來自時(shí)鐘系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下不斷根據(jù)周期指令來完成不同控制指令的讀寫任務(wù)，這個(gè)過程中需要使用軟件代碼進(jìn)行合理的控制，從而最大程度發(fā)揮單片機(jī)的性能。

4? 機(jī)電控制

嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。利用單片機(jī)控制能夠滿足機(jī)電控制的各種場合需求。通過傳感器采集機(jī)電系統(tǒng)中各種傳感器的參數(shù)，通過對(duì)于這些信號(hào)進(jìn)行一定的濾波處理，將濾波后的信號(hào)直接送到MCU內(nèi)部進(jìn)行處理，根據(jù)不同的任務(wù)（如控制或者通信）完成不同的算法計(jì)算和控制，在計(jì)算完成之后通過發(fā)出相應(yīng)的控制指令去控制相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，例如伺服電機(jī)、各種執(zhí)行結(jié)構(gòu)。機(jī)電控制的目的就是通過弱點(diǎn)控制強(qiáng)電的方法，我們都知道機(jī)電系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)都是一些大的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，例如電機(jī)，這些電壓和電流等級(jí)很高，在控制過程中不需要對(duì)于這些電流電壓進(jìn)行控制，只需要通過控制相應(yīng)的電子器件就能夠通過微弱的電流控制強(qiáng)大的電流。在機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要采用分模塊的設(shè)計(jì)思路，將電源模塊、執(zhí)行模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及控制模塊進(jìn)行分層次設(shè)計(jì)，保障最終的設(shè)計(jì)便于調(diào)試、維護(hù)以及使用，這樣對(duì)于機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展也是至關(guān)重要的。

5? 基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)開發(fā)研究

5.1 硬件結(jié)構(gòu)開發(fā)

在基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)硬件開發(fā)過程中，主要使用Stewart硬件開發(fā)平臺(tái)來對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行開發(fā)。而Stewart平臺(tái)主要是一個(gè)機(jī)械手臂開發(fā)平臺(tái)，機(jī)械手的數(shù)量主要有6個(gè)，而且這個(gè)系統(tǒng)還配置有大射電望遠(yuǎn)鏡指向跟蹤系統(tǒng)，這使得機(jī)械手能夠完成高精度和實(shí)時(shí)性地控制運(yùn)動(dòng)。本文主要列舉了三種Stewart機(jī)電控制系統(tǒng)開發(fā)方案。第一種是PC+伺服驅(qū)動(dòng)器+PMAC的方案，這種方案的特點(diǎn)是可靠性高、開發(fā)成本高、擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差。第二種是PC+定時(shí)卡+DA卡+編碼器卡+伺服驅(qū)動(dòng)器+算法的開發(fā)方案，這種方案的特點(diǎn)是開發(fā)成本一般，可靠性差、擴(kuò)展性強(qiáng)、適用性一般。第三種是伺服驅(qū)動(dòng)器+嵌入式控制器的開發(fā)方案，這種非方案的特點(diǎn)是開發(fā)成本低、性價(jià)比和可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)以及適用性強(qiáng)。在實(shí)際開發(fā)過程中，需要綜合考慮到各種因素的影響以及硬件設(shè)備資源情況來選擇合適的硬件開發(fā)方案。

5.2 軟件結(jié)構(gòu)開發(fā)

在基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，一般都是采用ucos作為RTOS開發(fā)軟件的基礎(chǔ)。軟件開發(fā)過程中有6個(gè)主要部分組成，他們分別是多任務(wù)管理模塊、ISA接口管理模塊、內(nèi)存資源管理模塊、系統(tǒng)中斷管理模塊、伺服電機(jī) ADRC 算法、UART串口管理模塊。其中，多任務(wù)管理、中斷管理模塊主要用ucos進(jìn)行編寫，而其中的接口和中斷模塊里面的中斷服務(wù)程序可以由用戶進(jìn)行編程和改寫[3]。在機(jī)電控制過程中，主要采用PID控制算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行有效的控制，從而保障機(jī)電設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行。而很多企業(yè)對(duì)于PID算法進(jìn)行相應(yīng)的修改和變形，很多企業(yè)采用ADRC 算法控制電機(jī)。此外，為了使得ADRC更好地應(yīng)用在機(jī)電控制過程中，還需要對(duì)于相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

6? 機(jī)電控制未來發(fā)展趨勢

隨著人工智能技術(shù)以及智能制造技術(shù)的發(fā)展，未來機(jī)械制造逐漸朝著信息化、智能化以及集成化的方向發(fā)展，也就需要機(jī)電控制系統(tǒng)逐漸朝著信息化以及智能化的方向發(fā)展。機(jī)電控制的相關(guān)理念也需要發(fā)生一定的變化。在未來，機(jī)械加工的模式和技術(shù)將打破傳統(tǒng)機(jī)械加工的概念，通過將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和加工技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，使得機(jī)械加工的效率得到顯著提升。通過建立完善的工業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⒐I(yè)制造分為不同的系統(tǒng)層級(jí)，在不同層級(jí)賦予不同的功能和任務(wù)，像通信網(wǎng)絡(luò)一樣，未來很多應(yīng)用可以通過移動(dòng)終端或者云端來完成，加工現(xiàn)場和設(shè)計(jì)現(xiàn)場能夠完成相應(yīng)的分離，更好地為用戶提供個(gè)性化的加工服務(wù)。

7? 結(jié)語

嵌入式技術(shù)一直是各個(gè)行業(yè)研究的熱點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。在將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到機(jī)電控制過程中，需要考慮到硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，從而使最終設(shè)計(jì)的方案能夠更好地應(yīng)用到機(jī)電控制當(dāng)中。

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