基于嵌入式系统的机电控制系统开发研究

段 纯 冯 攀

（安徽新闻出版职业技术学院 安徽 合肥 230601）

0.引言

随着社会的快速发展，许多先进的现代化技术纷纷被应用于各个生产领域，从而在很大程度上提高了我国的生产力，促进了各个领域的自动化、智能化提升。嵌入式系统是现代化技术中的重要技术，其在各个领域中的应用，使我国工业化水平得到了显著提高，通过嵌入式系统的应用，能够减少企业对人力资源的投入，并实现工业的自动化生产，可以说，以嵌入式系统为支撑的工业生产应用，给我们的生活带来了极大的便利。而本文便针对嵌入式系统在机电控制领域中的系统开发进行深入的研究，以此探讨嵌入式系统在机电控制领域中所具备的应用价值。

1.嵌入式系统

嵌入式系统的开发是围绕应用展开的，而其基础则是计算机技术，其以功能需求为指引来对软硬件进行截剪，以使系统开发后能够满足低成本、可靠性、低功耗等要求。嵌入式系统主要具备系统精简、专用性强、微内核及高实时性等较为鲜明的特点，这也使其在机电控制领域中尤为适用。嵌入式系统和其他系统的根本区别在于，其是由存储器、嵌入式微处理器或微控制器、软件以及I/O 端口所组成。其中，软件又是采用RTOS 开发的应用软件，嵌入式系统将应用软件与操作系统进行紧密的结合与集成，这也是嵌入式系统与Windows 应用系统之间的主要差异，并且是保障嵌入式系统实时性与可靠性的重要前提。

2.嵌入式系统中的微型处理器及RTOS

2.1 嵌入式系统中的微型处理器

在嵌入式系统中应用了许多现代化信息处理技术，以便于对信息进行高速传输，从而实现对机电设备的控制。可以说，嵌入式系统为工业生产提供了可靠而便捷的控制方法，推动了我国工业化水平的发展。目前我国所采用的嵌入式系统在技术水平上和其他发达国家相比尚存在一些差异，嵌入式系统的普及程度及应用水平也较低，但随着我国对科学技术水平研发的日益重视，嵌入式系统也已成为我国诸多专家和学者的主要研讨话题，并促进了嵌入式系统在各个领域中的推广与应用，使嵌入式系统不仅能够控制生产设备，还能有效监控设备的运行状态，进而保障设备运行过程中的可靠性与稳定性，使生产效率得到了极大提高。嵌入式系统在机电控制设备中的应用，为机电领域生产效率的提高创造了有利条件，其能够对机电设备实施高效的监控与调节，并通过规范化、标准化的流程来进行工作，从而有效减少和避免了人为失误原因给机电设备带来的影响，使生产模式得以智能化。由此可对嵌入式系统的功能进行总结、整理与归纳：其一，CPU 内核为ARM7TDMI ARM Thumb 并其自带8KB 缓存；其二，外部总线接口为完全可编程，并能对64M 的寻址空间予以支持；其三，基于嵌入式系统的机电控制系统具备优先级的设置，其能够对向量中断控制器进行单独屏蔽，并在外部设置了四个中断源；其四，机电控制系统具有3 通道16 位定时的计数器；其五，系统中包含有可进行编程的看门狗定时器；其六，系统具备两个USART，并且其是相互独立的；其七，系统的省电特性更加先进。

2.2 嵌入式系统中的RTOS选择

现阶段，我国在嵌入式系统中主要选用两种RTOS，分别是免费型与商用型，免费型RTOS 主要包括Linux 与μ.C/OSII，而Linux又分为RT-Linux与uLinux两类。商用型RTOS则主要包括VxWork、WindowsCE4.0 及PalmOS 等，这几类商用型RTOS 的适用范围不同，其中CE4.0 在消费型电子设备中适用，Palm OS 在PAD 产品中适用，而VxWork 则在交换设备及网络中适用。通过对VxWork、RT-Limux及μC/OSII 这三种嵌入式RTOS 进行硬件平台、任务切换及中断响应这三个方面的性能对比，本文将μC/OSH 当作机电控制系统开发的RTOS。μ.C/OSII 具备以下鲜明的特点：其一，RTOS 中包含有相应的公开源码，这使其能够为系统软件的移植及其二次开发提供了有利条件；其二，RTOS 具备很强的可移值性，其大部分公开源码都是由ANSI C 进行编写的，仅有少部分公开源码是以汇编语言进行编写的；其三，RTOS 具备可固化特征，其内核较为微小，能够将应用程序在FLASHROM 中进行固化；其四，RTOS 具备可裁剪性，其是以条件编译来进行软硬件裁剪的，从而使RTOS 变得更加方便；其五，RTOS 的占先式是确保其达到实时性应用要求的可靠保证； 其六，RTOS 能够对64 个任务进行同时管理和控制； 其七，RTOS 的可确定性是其能够得知应用过程中所调用的函数及其服务执行时间；其八，RTOS 的服务很多，比如信号量、消息队列等；其九，RTOS 能够同时对255 层进行中断管理服务。

3.基于嵌入式系统的机电控制系统开发研究

3.1 硬件结构开发

在基于嵌入式系统的机电控制系统开发中，主要是利用Stewart来完成的，Stewart平台是一个机械手平台，机械手数量共六个，并具备大射电望远镜指向跟踪系统，该系统可当作Stewart平台中的馈源舱精调子系统，这使Stewart 中的机械手能够进行高实时性和高精度的运动，馈源舱定位精度对机械手的控制精度有着直接影响，并关系到Stewart平台的可靠性，对体积也有很高要求。本文列举了三种Stewart机电控制系统开发方案，第一种是PC+伺服驱动器+PMAC，在开发成本上较高，但其可靠性也较高，不过其不具备可扩展性，对系统的适用性较差。第二种是PC+定时卡+DA 卡+编码器卡+伺服驱动器+算法，在开发成本上较为一般，可靠性则较差，具备一定的可扩展，对系统的适用性程度一般；第三种是伺服驱动器+嵌入式控制器，其开发成本较低，性价比与可靠性都较高，可扩展性也较好，能够有效适用于本系统。经过综合考虑，本文选取第三种开发方式来作为机电控制系统的硬件结构。在该Stewart平台的机电控制系统中，其硬件结构主要包括以下几个部分，分别是存储器、编码器接口、DA 接口、RS232 标准接口两个、ISA 总线接口一个以及状态指示灯，其中，存储器为2MBSDRAM以及1MB 的线性FlashROM，其能够对应用软件及RTOS 进行存储；编码器接口则被设计为六路，并包含有辨向电路与脉冲细分逻辑；DA接口则是六路12 位独立的电路接口，该接口能够将输出模拟量当作伺服放大器的输入量；RS232 接口则负责对主机的控制指令进行接收。ISA 总线接口则被插入到嵌入式系统中的ISA 槽中，其能够对PC机的控制指令进行接收，以使工控模式标准化。状态指示灯则能够对系统的实际运行状态及其各个通道的实际情况进行指示。在上述接口中，其通讯格式均使用自带校验功能的自定义格式。

3.2 软件结构开发

在基于嵌入式系统的机电控制系统开发中，其软件结构的开发主要是采用μC/OS 当作RTOS 开发软件。在软件结构中共由六个管理部分组成，分别是多任务管理、ISA 接口管理、内存资源管理、中断管理、伺服电机ADRC 算法、UART 接口管理以及中断管理。在多任务管理、中断管理及内存资源管理中，是利用μC/OS 进行编写的，其中和接口有联系的中断服务程序则是由用户进行编写的，其他管理部分是由用户进行编写来实现的。在电机控制中，主要是通过PID 控制方法来进行控制的，而本文中对电机的控制则是使用ADRC 算法。此外，为了使算法的控制效果更高，还要对原有的ADRC 算法进行相应的改进，利用变参数思想来提高控制效果。

3.3 μC、C/OS移植

在基于嵌入式系统的机电控制系统开发中，采用μC/OS 进行移植时主要由以下工作组成，其一是对OS_CPU 文件中的堆栈宽度和九大类型数据进行定义； 其二是使用#define 对堆栈增长方向进行表示的常量进行设置。其三是采用#define 对三个宏进行声明。其四是对六个简单函数利用C 语言进行编写；其五是对四个汇编语言中的函数进行编写；根据上述嵌入式系统开发中的软硬件设计思路，便可以对机电控制系统中的Stewart平台伺服控制器进行设计。通过实验结果表明，采用这种开发思路来对Stewart平台进行控制，能够使机电控制平台对期望信号进行良好的跟踪，同时还能在短时间内使系统不会受到干扰的影响。

4.结语

总而言之，关于嵌入式系统的研发与应用已经成为我国诸多专家和学者的一大热门研究话题，利用嵌入式系统来对机电控制系统开发，能够显著提高系统的可靠性、功耗及其性价比，从而使机电控制系统在机电领域中的应用价值得到进一步的发挥。而在不久的将来，随着嵌入式系统研究的不断深入，其必将在各类机电控制系统中得到更加广泛的应用，进而使系统的综合性能及控制效果变得更加良好。