嵌入式技術在光機電一體化中的應用探討

謝賢新

摘 要：光機電一體化是一種集及光電子技術以及計算機信息學技術為一體的一門技術。它是科學發(fā)展的必然產物，而且它在設計中和加工制造中的應用最為顯著.優(yōu)點頗多。發(fā)展方向又是趨于綠色化等，其發(fā)展方向自然是不言而喻的。本文從嵌入式光機電一體化設備的控制系統(tǒng)設計入手，在此基礎上對光機電一體化設備嵌入式控制系統(tǒng)應用中的關鍵技術進行論述，期望通過本文的研究能夠提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性有所幫助。

關鍵詞：技術；光機電一體化；系統(tǒng)；嵌入式控制技術；

引 言

光機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、控制技術、光學技術與機械技術的相互交叉與融合，是諸多高新技術產業(yè)和高新技術裝備的基礎。近幾年光機電一體化技術逐步運用到軍事和民用機械領域當中， 隨著社會的發(fā)展光機電一體化技術將得到很大程度的推廣，滲入到國民經濟的各個環(huán)節(jié)當中。它包括產品和技術兩方面：光機電一體化產品是集光學、機械、微電子、自動控制和通信技術于一體的高科技產品，具有很高功能和附加值；光機電一體化技術是指其技術原理和使光機電一體化產品得以實現(xiàn)，使用和發(fā)展的技術。

光機電一體化技術是由光學，光電子學，電子信息和機械制造及其他相關技術交叉與融合構成的綜合性高新技術是諸多高新技術產業(yè)和高新技術裝備的基礎。它豐富和拓寬了光機電一體化技術的內涵和外延。

1嵌入式光機電一體化設備的控制系統(tǒng)設計

1.1系統(tǒng)的總體設計思路

本文所設計的系統(tǒng)是將嵌入式控制技術與機電一體化技術進行有機融合，以嵌入式控制器和數字信號處理器作為系統(tǒng)的核心，在輸入/輸出通道上采用目前最為先進的模塊化設計，使用少量的CPU口線資源即可方便地隊通道進行擴展。在電路板上實現(xiàn)傳感器陣列檢測、功率驅動、模擬信號采集、數據處理等功能，由此能夠確保系統(tǒng)在現(xiàn)場干擾較強的情況下穩(wěn)定、可靠運行。該系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)機電一體化設備中傳感器檢測和電動執(zhí)行器的控制，而且還能實現(xiàn)模擬數據的高速采集與處理。

1.2硬件設計

該系統(tǒng)中共有兩塊核心芯片，它們是系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的關鍵，其中一塊為控制處理芯片，另一塊是數字信號處理芯片。為了進一步提升系統(tǒng)的整體性能，采用了APM+DSP的處理核心結構，這是目前應用較為廣泛的一種嵌入式系統(tǒng)結構，APM處理器最為顯著的特點是運算能力強，并且基于APM的外圍電路設計較為齊全，各種單元幾乎全都涵蓋，如SPI、IIC、UART、PWM、定時器等等，從而使其更加適合用于機電設備的控制；DSP在系統(tǒng)當中的主要任務是對大量的數字信號進行快速處理。下面重點對各個單元的功能進行分析。

（1）傳感器陣列輸入單元。在本系統(tǒng)中，采用了陣列輸入方式，對輸入傳感器進行掃描，以此來完成信號的同步檢測，不僅能夠實現(xiàn)對光電和開關點傳感器的狀態(tài)及變位檢測，而且還能實現(xiàn)事件計數。該單元采用了多路選擇器作為緩沖電路，這樣設計不但有效節(jié)省了CPU的口線，又便于擴展，想要對輸入進行增減時，只需要對多路選擇器進行增減，并不需要對電路進行改動。

（2）控制輸出單元。該單元選用帶有尋址和鎖存功能的輸出器件作為擴展，支持最多32路的控制信號輸入，它的電路與輸入電路極為類似，在此不進行重復介紹。

（3）功率驅動單元。該單元的主要作用是對機電一體化設備當中的大功率器件進行直接驅動，采用了先進的電子電力技術，以功率場效應管作為核心器件，其特點是控制功率較小、反應時間短（可達納米級），能夠對交直流電機、繼電器進行控制，不僅如此，還能對電動機進行調速控制。

（4）中控單元。采用APM芯片，由于該芯片具備強大的運算功能，故此其最為適合用于對于機電一體化設備進行實時控制。

（5）數字處理單元。采用DSP芯片其具備高速的數據處理能力，基本能夠滿足設備的控制要求。

（6）串行接口單元。為適應多種不同人機界面的需要，采用了UART異步串行通信接口，根據一定的通信協(xié)議進行數據互傳。

1.3軟件設計

在本系統(tǒng)的軟件設計中，采用了模塊化的設計方法，結合機電一體化設備的特點，設計出一下幾個模塊：

（1）信號輸入模塊。該模塊主要對傳感器陣列輸入單元進行控制，因系統(tǒng)采用的事可尋址電路，所以每個傳感器均能分配到一個確定的地址，并將信號定義為邏輯0和1、上下跳、電平信號、事件脈沖、頻率與周期等幾種類型。

（2）控制輸出模塊。該模塊與驅動電路相配合能夠對直流電機、繼電器等不同輸出器件進行控制，并且還能實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)調速。

（3）驅動程序模塊。該模塊不僅是連接硬件與系統(tǒng)的軟件，而且還是實現(xiàn)機電一體化設備功能的基礎，，具體包括：伺服機構控制程序、接口驅動程序兩個部分。

（4）中斷服務程序模塊。該模塊主要包括以下幾個中斷：即定時中斷、UART中斷、SPI中斷等等。

（5）設備程序模塊。該模塊是按照機電一體化設備的實際需求對系統(tǒng)進行組織的專用程序，用戶借助這一程序能夠實現(xiàn)設備需求，具體包括如下程序：主程序、人機接口程序、專用程序。

由于機電一體化設備的干擾源相對較多，加之干擾比較強烈，故此在以上幾個模塊中均采用了軟件抗干擾措施，即輸入與輸出抗干擾。

2光機電一體化設備嵌入式控制系統(tǒng)應用中的關鍵技術

由于大部分光機電設備的運行環(huán)境中都存在大量的干擾源，所以控制系統(tǒng)的應用中，抗干擾技術成為不可或缺的關鍵技術。

2.1抗電機干擾

在光機電一體化設備中，電機對嵌入式控制系統(tǒng)的干擾可分為幾種情況進行處理，例如多個電機同時啟動需要借助軟件進行處理，這樣能夠有效防止多個電機同時啟動對系統(tǒng)造成影響。

2.2抗機械振動干擾

對于光機電一體化設備而言，機械振動是不可避免的問題，最為有效的抗振動方法為延時，具體是指在首次檢測到傳感器狀態(tài)發(fā)生改變后，延長一段時間，再對其狀態(tài)進行檢查，并最終確認狀態(tài)信息。

2.3抗ESD干擾

抗ESD干擾最為有效的措施包括屏蔽、加裝濾波器、接地等。其中濾波器的應用較為常見，具體而言就是對信號線使用EMI，減少ESD對你處理器主板的干擾，如在信號線上加裝鐵氧體磁環(huán)或是加入RC濾波電路。

3結束語

就光機電一體化設備而言，它的控制具有傳感多、控制輸出多、現(xiàn)場干擾大、控制流程復雜、實時性強等特點，正因如此，傳統(tǒng)的機電一體化控制技術很難滿足高性能光機電一體化設備的要求。為有效提高設備的使用性能，本文提出了一種新型的嵌入式光機電設備控制系統(tǒng)，并對其硬件和軟件設計進行了詳細論述，同時還對系統(tǒng)應用中的關鍵技術進行分析，以期能夠提升設備的運行穩(wěn)定性。