基于嵌入式技术的机电设备控制装置的设计研究

张辰宇

摘要：为改进目前机电设备技术含量低且不能满足现代I业要求的问题。应用嵌入式技术进行设计。设计了一个集音频/视频信号识别/处理、存储器扩展、外部接口模块等为一体的嵌入式控制装置。使得机电设备的信息化、自动化和数字化改善效果显著，并为传统制造业的更新换代提供了参考价值。

关键词：装备设计 嵌入式技术 机电设备 现代工业 自动化

中图分类号：D460.5040

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）08-0090-03

引言

本文从机电设备面临的技术问题和嵌入式技术入手，将嵌入式技术集成到机电设备中。总的来说，就是将嵌入式技术的理论和应用整合到机电设备控制装置的设计和开发中，以设计一个具有高可靠性和高性能的基于微处理器的控制装置。

一、研究背景

近几年，制造业公司在经济和技术等发面发展较为低迷。追根溯源，最重要的原因是机电设备智能化水平低下，技术更新不及时，以至于无法达到工程的标准，因而在激烈的市场竞争中无法形成自己独特的优势，常以失败告终。如果制造企业要改变现状，积极响应和拥护政府的政策支持和体制改革是必由之路[1]。即机电设备需要经过深入的技术更新换代升级，使其在市场中的竞争力得到加强，为企业的发展提供更多的机会，为行业注入更多的活力。因而，应用新型技术设计出更符合“中国制造2025”战略的新型设备才能够加快制造智能化前进的脚步。

二、嵌入式技术在装置系统设计当中的应用

本装置的系统中使用的RTOS主要有两种类型：免费的和商业的。免费的实时操作系统主要包括Linux和UC/OSII，而Linux又分为RT-Linux和uLinux。商业操作系统主要包括VXWork、WindowsCE4.0和PalmOS。这些类型的商业系统有不同的应用范围：CE4.0适用于消费类电子设备，Palm适用于PAD，而VX则适用于网络。在对VXWork、RT-LIMUX和UC/OSII三种平台的性能进行比较的基础上（包括硬件平台、任务切换和中断响应），拟将UC/OSIIl视为为机电控制系统开发的实时操作系统。UC/OSII有以下显著特点：

（1）包含相应的源代码，这使得其能够为系统软件的迁移和二次开发提供有利条件（2）可移植性较高，其大部分源代码是由ANSIC编译（3）RTOS具有可固化的特点，其内核相对较小，可用于FLASHROM中的应用（4）使用条件编译来执行软件和硬件裁剪，从而使实时操作系统更加方便（5）抢占式实时操作系统是保证其满足实时应用要求的可靠保证（6）可同时处理多项任务（7）能够在应用过程中知道服务的功能和执行时间（8）可以同时执行中断管理。

嵌入式技术在工业控制设备中的应用越来越广泛，它可以提高处理器的性能，实现设备状态的实时监测和处理，确保应用效果[2]。特别是在目前64位处理器大幅度覆盖的情况下，不仅要能保证大量的接口总线资源以提升数据采集和汇总处理的效率，还要满足终端客户的需求，为他们提供相关领域的帮助支持，从而打造完美的产业设备平台。例如在机器人技术初期，就与嵌入式系统有着千丝万缕的关系[3]。最早的控制方法只是从“与非门”电路中汲取经验，并没有进行芯片的使用，后来人们才开始认可智能控制的学理。在上世纪70年代，智能控制的发展为嵌入式技术指明了前进的道路，提升了系统的可靠性和易操作性，并且直接创建了一个更完整的架构和操作程序。

嵌入式技术在机电一体化设备中的应用也体现在分布式控制系统中。由于测控对象多，对生产过程自动化要求高，为了解决这些问.题就采用了嵌入式技术，可以满足分布式控制系统对高效率的运行需求。以此加快集散控制系统的应用效率，实现技术系统的集成和升级。

三、基于嵌入式技术的控制装置的设计

（一）硬件框架的设计

主处理器为TI的32位定点高性能芯片642，该芯片包含各类硬件资源，例如视音频;并配备了各种接口，例如网络端口，PCI接口等。在视音频处理和信号分析方面，芯片主频率可以达到720Mhz，每秒可执行命令的数量多达560Mbps。其EMFA接口数据总线宽度为64位，最大频率为133Mhz。该装置主要由视音频信号处理模块、外部储存器模块和外部接口模块组成。图1较为详细地展现了本装置的结构组成。

1.视频处理模块的设计：为保证视频解码性能良好，采用了TI的解码芯片。TVP5150PBS可以識别的信号转换为YCBCR。其中，YCBCR为4：2：2，输出为“ITU-RBT.656”[4]。处理器支持BT.656视频数据流的输入，也可以完美地衔接到TVP150。

此模块选用了SAA7121H芯片，可对NTSC、PAL进行识别，支持BT.656进行输入。对于数字视频信号，则只能在经过DSP识别处理后才能进行显示，可选择CVBS或S-Video进行输出，并能完美衔接到中央处理器。

2.音频处理模块的设计：音频解码芯片采用TI的TLV320AIC23B，其性能十分出色，用以支持LINEQIN和MIC的输入。它的内部集中，构成一个有机整体，采用sigma-delta过采样技术，不仅降低了能量损耗，还提高了信噪比。

主处理器芯片的MC64接口可以应用于多通道音频处理，采用

TV510的27MHz时钟输出作为输入，使用可编程锁相环PL1708来确保同时采样和回放视频和音频，以此实现单独或同时执行多通道的数据接收和传输。

3.外部存储器模块的设计：主处理器芯片通过EMIF接口访问外部存储器。CE3CE0、8-bit启用线Be[7：0]、20-bit地址线A[22：03]、64-bit数据线D[63：00]这四位芯片选择器共同组成了EMIF，每个CEX有256Mb的可寻址内存，可用于适配各类的接口，如SDRAM、Flash、SRAM等。CE1还被用来将1Mx8位闪存扩展到数据缓冲空间。外部存储区的地址范围为0X900[J].000～0x9001FFFFF。

EMIF时钟是根据输入时钟生成的，IN是其输入引脚，OUT1是输入时钟引脚，OUT2是输出时钟弓引脚，它们可以分别输入和输出x1～x4的CPU时钟。控制器寄存器控制，从BE0至BE7完成信号接收端的激活信号;异步存储器由就绪信号、异步启用、读写信号和其他信号进行实现。该装置的RAM使用HY547V283220T芯片，两块芯片对称放置，它们可以临时存储处理后的数据，同时将临时存储数据输出到EMIF接口。

4.外部接口模块的设计：装置选择TL16C752B作为异步串行端口。为了使TL16C752B成功连接，主处理器将CE1子空间配置为8位静态内存，并且每个异步串行端口都占用了8位内存x8。控制指令由主处理器发出，并有序通过异步通信串口、缓冲区以及电平转换芯片到达控制模块。装置采用四線RS232接口标准，利用CPLD器件EPM712128ETC控制电路，完成EPM71228AETC中的串行通信。该芯片可以将中央处理器的8-bit并行数据转换成串行数据，供串行芯片使用，或将串行芯片的数据转换为中央处理器易于操作的并行数据。

5.装置电路的仿真分析：由于装置中两个SDRAM芯片的数据总线和地址总线的传播速度非常快，因此对电路中电流的阻塞效应不容易匹配。通过对IBIS模型的研究，能预先计算电路的阻抗，然后从ZOUT=E/IO和RSERISE开始计算。可得RSERISE值为53.15。选择模拟电阻时，选取51，并将激励信号调整成频率为133MHz的方波，最后分析信号以判断品质高低。

如图2和图3分别为匹配前和匹配后总线的仿真曲线。无法与之匹配的电阻会产生较大的过冲波形;而通过匹配的51Q电阻，源反射系数近似为零，极大地降低了负面影响，几乎不存在误差。如此一来，既满足了对信号完整性要求，也大大降低了波形过冲，提高了线路承受干扰的能力。

（二）识别方法和数据处理

装置系统利用ZUV对运动检测中的视频信号进行处理。在显示器的屏幕上，Y信号和色度信号可以通过彩色图像进行提取。ZUV矢量被转换为RGB信号，以矩阵变换进行显示。除此之外，ZUV也可根据不同的算法被应用到其他的运算方式当中。

从以上公式可以看出，在检测的过程中阈值T始终起着决定性作用，整个检测系统的灵敏度几乎由它的大小来决定。当T值较小时，噪声较大;当T值较大时，它可以滤除一些噪声，使噪声较小。但在这种情况下，会很容易破坏目标的连续性。阈值T有一个很重要的特性，即缺乏自适应性，很难去适应周围环境的变化，所以它对检测条件的要求也十分苛刻。例如，在狂风暴雨等极端天气，会给预测的效果带来不确定性，影响检验的可靠性。针对这个问题，拟提出一种基于帧差法的改进算法。

当天气情况发生变化时，背景环境基本保持不变，因此为了保证最后结果的科学性，我们可以给判断条件加上一个附加项，也就是整体灵敏度。修改判决条件如下：

公式中λ抑制系数，NA为检测区域A的像素数，A为整幅图像。增加项目为：

公式（3）代表整体环境发生的变化。当整体环境条件变化较小时，最终值会趋近于0;当整体环境条件变化较大时，最终值会随着条件的变化而增加，使公式（2）的条件有效。

首先，收集的图像会被转换为视频数据传递给中央处理器。处理完成后，处理器将其以YUV格式传输到输出设备以显示和移动对象，边缘会在屏幕上会进行突出处理。

当进行某些特殊的操作时，监控系统会发出一些异常音频。为了快速识别异常并将异常音频与正常音频进行分割，可以使用芯片快速收集实时声音，然后将已识别的异常声音状态传输给主处理器芯片。

在装置中，音频输入和输出测试主要包括MCASP配置、通信以及音频数据交换等。测试音频主要包括初始化MCASP、通过IC设置编解码器工作模式等方式。除此之外，还需要中央处理器、数字信号预处理（前置放大器、增益、频带限制滤波器）、高速A/D接口和信息传输端口对异常音频进行识别。

在识别中，需要进行和FFT变换以及均值处理。由于计算数据量较大，为了提高效率，保证实时性，需要最小化频率范围。当声音信号以40ms的频率拍摄，并分析每10ms的频率

让采样的数据序列为h（n），然后执行n个点的FFT运算和Blankman窗口，如下所示：

其中H（k）是输出序列，W（n）是布莱克曼窗函数;因此，功率谱S（k）=H（k）|，将数字频率k转换为模拟频率f后，从5000Hz到10125Hz的功率谱值之和为E。

当采样序列只包含输入序列时，上述算法可以在无异常音频时确定E值;当采样序列包含异常音频时，可以此计算出E'，显而易见的是，两者之值并不相等。结果E'E表示无异常音频，E'E则表示异常音频出现。

（三）研究结果

装置的监测对象为锰材料盒，主要用于其工作过程中的异常工况进行预警，识别故障现象。图4显示了锰封隔器的整体结构和传感器布局。装置的传感器信息包含视觉信息，听觉信息和内部传感器信息。内部传感器的大多数信息都是指示装置行程极限的开关值，例如限位开关值、和磁性开关值，采用“0-1控制”-1表示开关接通，0表示开关断开。

通常在描述装置的运行状态时，只需要根据少量的传感信息来确定装置是否正常运行。例如，可以运用平台与开关、视觉信息之间的不同距离来完成对工作状态的描述;利用伺服电机的视听信息，可以检查装置是否暂停;而气缸上限的磁开关和包装位置等信息则可以决定平台的工作速度，详见表1。

在实验过程中，人工生成了60条典型断层。装置系统的准确率很高，例如判断运行期间机器故障状况的识别准确度高达98.3%，机器故障现象识别的准确度也高达91.6%。根据结果我们可以知道：该装置的工作是正常的。状态可以被有效监控。

为了验证所设计的能耗监测功能的准确性，采用了日本一家公司生产的Hioki3390宽带功率分析仪作为校准仪器。同时，监控系统的数据采集模块Hioki3390宽带功率分析仪安装在数控机床CK6136主电源空气开关上。曲线记录如图5所示。可以看出，所测得的功率值的相对误差相对较小。

文章对数控机床在加工过程中的实际能耗进行了分析。通过收集并分析人机交互界面显示的机床能耗总量、机床能耗有效值、运行时长等信息，将数据可视化技术51与人工操作相辅相成！61。为生产过程中节能减排效果的后续改善提供可靠的数据支持。

从USB端口将成功读取的数据传送到电脑上处理，根据每个通道的数据分离原始数据，最后输出数据。使用HEXEDIT和MATLAB操作得到数据源和波形。每个数据通道的前4个字节是数据帧头，后4个字节是帧数。结果如图6所示。

图7显示了经过MATLAB处理后的模拟波形。可以看出，该电压值与装置工作电压28.0V基本吻合。

总结

基于DM642芯片进行处理的嵌入式控制装置是根据用于状态监测的机电设备标准设计的。为了检验该装置及其系统运行的可行性，在锰包装生产线上对该装置进行了测试。它的运行速度极快，具有与数字设备较好的兼容型，并具有高度的软硬件集成度。仅需要更改算法并调整数字采样率便能够响应不同的操作条件和使用需求，软件和硬件结构灵活，易于推广。

参考文献

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