基于嵌入式技術(shù)的機(jī)電設(shè)備控制裝置的設(shè)計(jì)研究

張辰宇

摘要：為改進(jìn)目前機(jī)電設(shè)備技術(shù)含量低且不能滿(mǎn)足現(xiàn)代I業(yè)要求的問(wèn)題。應(yīng)用嵌入式技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一個(gè)集音頻/視頻信號(hào)識(shí)別/處理、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、外部接口模塊等為一體的嵌入式控制裝置。使得機(jī)電設(shè)備的信息化、自動(dòng)化和數(shù)字化改善效果顯著，并為傳統(tǒng)制造業(yè)的更新?lián)Q代提供了參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：裝備設(shè)計(jì)?嵌入式技術(shù)?機(jī)電設(shè)備?現(xiàn)代工業(yè)?自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：D460.5040

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）08-0090-03

引言

本文從機(jī)電設(shè)備面臨的技術(shù)問(wèn)題和嵌入式技術(shù)入手，將嵌入式技術(shù)集成到機(jī)電設(shè)備中?？偟膩?lái)說(shuō)，就是將嵌入式技術(shù)的理論和應(yīng)用整合到機(jī)電設(shè)備控制裝置的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，以設(shè)計(jì)一個(gè)具有高可靠性和高性能的基于微處理器的控制裝置。

一、研究背景

近幾年，制造業(yè)公司在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等發(fā)面發(fā)展較為低迷。追根溯源，最重要的原因是機(jī)電設(shè)備智能化水平低下，技術(shù)更新不及時(shí)，以至于無(wú)法達(dá)到工程的標(biāo)準(zhǔn)，因而在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中無(wú)法形成自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，常以失敗告終。如果制造企業(yè)要改變現(xiàn)狀，積極響應(yīng)和擁護(hù)政府的政策支持和體制改革是必由之路[1]。即機(jī)電設(shè)備需要經(jīng)過(guò)深入的技術(shù)更新?lián)Q代升級(jí)，使其在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力得到加強(qiáng)，為企業(yè)的發(fā)展提供更多的機(jī)會(huì)，為行業(yè)注入更多的活力。因而，應(yīng)用新型技術(shù)設(shè)計(jì)出更符合“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的新型設(shè)備才能夠加快制造智能化前進(jìn)的腳步。

二、嵌入式技術(shù)在裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用

本裝置的系統(tǒng)中使用的RTOS主要有兩種類(lèi)型：免費(fèi)的和商業(yè)的。免費(fèi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要包括Linux和UC/OSII，而Linux又分為RT-Linux和uLinux。商業(yè)操作系統(tǒng)主要包括VXWork、WindowsCE4.0和PalmOS。這些類(lèi)型的商業(yè)系統(tǒng)有不同的應(yīng)用范圍：CE4.0適用于消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備，Palm適用于PAD，而VX則適用于網(wǎng)絡(luò)。在對(duì)VXWork、RT-LIMUX和UC/OSII三種平臺(tái)的性能進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上（包括硬件平臺(tái)、任務(wù)切換和中斷響應(yīng)），擬將UC/OSIIl視為為機(jī)電控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。UC/OSII有以下顯著特點(diǎn)：

（1）包含相應(yīng)的源代碼，這使得其能夠?yàn)橄到y(tǒng)軟件的遷移和二次開(kāi)發(fā)提供有利條件（2）可移植性較高，其大部分源代碼是由ANSIC編譯（3）RTOS具有可固化的特點(diǎn)，其內(nèi)核相對(duì)較小，可用于FLASHROM中的應(yīng)用（4）使用條件編譯來(lái)執(zhí)行軟件和硬件裁剪，從而使實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)更加方便（5）搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是保證其滿(mǎn)足實(shí)時(shí)應(yīng)用要求的可靠保證（6）可同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)（7）能夠在應(yīng)用過(guò)程中知道服務(wù)的功能和執(zhí)行時(shí)間（8）可以同時(shí)執(zhí)行中斷管理。

嵌入式技術(shù)在工業(yè)控制設(shè)備中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可以提高處理器的性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，確保應(yīng)用效果[2]。特別是在目前64位處理器大幅度覆蓋的情況下，不僅要能保證大量的接口總線資源以提升數(shù)據(jù)采集和匯總處理的效率，還要滿(mǎn)足終端客戶(hù)的需求，為他們提供相關(guān)領(lǐng)域的幫助支持，從而打造完美的產(chǎn)業(yè)設(shè)備平臺(tái)。例如在機(jī)器人技術(shù)初期，就與嵌入式系統(tǒng)有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系[3]。最早的控制方法只是從“與非門(mén)”電路中汲取經(jīng)驗(yàn)，并沒(méi)有進(jìn)行芯片的使用，后來(lái)人們才開(kāi)始認(rèn)可智能控制的學(xué)理。在上世紀(jì)70年代，智能控制的發(fā)展為嵌入式技術(shù)指明了前進(jìn)的道路，提升了系統(tǒng)的可靠性和易操作性，并且直接創(chuàng)建了一個(gè)更完整的架構(gòu)和操作程序。

嵌入式技術(shù)在機(jī)電一體化設(shè)備中的應(yīng)用也體現(xiàn)在分布式控制系統(tǒng)中。由于測(cè)控對(duì)象多，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化要求高，為了解決這些問(wèn).題就采用了嵌入式技術(shù)，可以滿(mǎn)足分布式控制系統(tǒng)對(duì)高效率的運(yùn)行需求。以此加快集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用效率，實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的集成和升級(jí)。

三、基于嵌入式技術(shù)的控制裝置的設(shè)計(jì)

（一）硬件框架的設(shè)計(jì)

主處理器為T(mén)I的32位定點(diǎn)高性能芯片642，該芯片包含各類(lèi)硬件資源，例如視音頻;并配備了各種接口，例如網(wǎng)絡(luò)端口，PCI接口等。在視音頻處理和信號(hào)分析方面，芯片主頻率可以達(dá)到720Mhz，每秒可執(zhí)行命令的數(shù)量多達(dá)560Mbps。其EMFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最大頻率為133Mhz。該裝置主要由視音頻信號(hào)處理模塊、外部?jī)?chǔ)存器模塊和外部接口模塊組成。圖1較為詳細(xì)地展現(xiàn)了本裝置的結(jié)構(gòu)組成。

1.視頻處理模塊的設(shè)計(jì)：為保證視頻解碼性能良好，采用了TI的解碼芯片。TVP5150PBS可以識(shí)別的信號(hào)轉(zhuǎn)換為YCBCR。其中，YCBCR為4：2：2，輸出為“ITU-RBT.656”[4]。處理器支持BT.656視頻數(shù)據(jù)流的輸入，也可以完美地銜接到TVP150。

此模塊選用了SAA7121H芯片，可對(duì)NTSC、PAL進(jìn)行識(shí)別，支持BT.656進(jìn)行輸入。對(duì)于數(shù)字視頻信號(hào)，則只能在經(jīng)過(guò)DSP識(shí)別處理后才能進(jìn)行顯示，可選擇CVBS或S-Video進(jìn)行輸出，并能完美銜接到中央處理器。

2.音頻處理模塊的設(shè)計(jì)：音頻解碼芯片采用TI的TLV320AIC23B，其性能十分出色，用以支持LINEQIN和MIC的輸入。它的內(nèi)部集中，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，采用sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)，不僅降低了能量損耗，還提高了信噪比。

主處理器芯片的MC64接口可以應(yīng)用于多通道音頻處理，采用

TV510的27MHz時(shí)鐘輸出作為輸入，使用可編程鎖相環(huán)PL1708來(lái)確保同時(shí)采樣和回放視頻和音頻，以此實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或同時(shí)執(zhí)行多通道的數(shù)據(jù)接收和傳輸。

3.外部存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)：主處理器芯片通過(guò)EMIF接口訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。CE3CE0、8-bit啟用線Be[7：0]、20-bit地址線A[22：03]、64-bit數(shù)據(jù)線D[63：00]這四位芯片選擇器共同組成了EMIF，每個(gè)CEX有256Mb的可尋址內(nèi)存，可用于適配各類(lèi)的接口，如SDRAM、Flash、SRAM等。CE1還被用來(lái)將1Mx8位閃存擴(kuò)展到數(shù)據(jù)緩沖空間。外部存儲(chǔ)區(qū)的地址范圍為0X900[J].000～0x9001FFFFF。

EMIF時(shí)鐘是根據(jù)輸入時(shí)鐘生成的，IN是其輸入引腳，OUT1是輸入時(shí)鐘引腳，OUT2是輸出時(shí)鐘弓引腳，它們可以分別輸入和輸出x1～x4的CPU時(shí)鐘?？刂破骷拇嫫骺刂?，從BE0至BE7完成信號(hào)接收端的激活信號(hào);異步存儲(chǔ)器由就緒信號(hào)、異步啟用、讀寫(xiě)信號(hào)和其他信號(hào)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該裝置的RAM使用HY547V283220T芯片，兩塊芯片對(duì)稱(chēng)放置，它們可以臨時(shí)存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)，同時(shí)將臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出到EMIF接口。

4.外部接口模塊的設(shè)計(jì)：裝置選擇TL16C752B作為異步串行端口。為了使TL16C752B成功連接，主處理器將CE1子空間配置為8位靜態(tài)內(nèi)存，并且每個(gè)異步串行端口都占用了8位內(nèi)存x8。控制指令由主處理器發(fā)出，并有序通過(guò)異步通信串口、緩沖區(qū)以及電平轉(zhuǎn)換芯片到達(dá)控制模塊。裝置采用四線RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，利用CPLD器件EPM712128ETC控制電路，完成EPM71228AETC中的串行通信。該芯片可以將中央處理器的8-bit并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，供串行芯片使用，或?qū)⒋行酒臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為中央處理器易于操作的并行數(shù)據(jù)。

5.裝置電路的仿真分析：由于裝置中兩個(gè)SDRAM芯片的數(shù)據(jù)總線和地址總線的傳播速度非?？?，因此對(duì)電路中電流的阻塞效應(yīng)不容易匹配。通過(guò)對(duì)IBIS模型的研究，能預(yù)先計(jì)算電路的阻抗，然后從ZOUT=E/IO和RSERISE開(kāi)始計(jì)算?？傻肦SERISE值為53.15。選擇模擬電阻時(shí)，選取51，并將激勵(lì)信號(hào)調(diào)整成頻率為133MHz的方波，最后分析信號(hào)以判斷品質(zhì)高低。

如圖2和圖3分別為匹配前和匹配后總線的仿真曲線。無(wú)法與之匹配的電阻會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)沖波形;而通過(guò)匹配的51Q電阻，源反射系數(shù)近似為零，極大地降低了負(fù)面影響，幾乎不存在誤差。如此一來(lái)，既滿(mǎn)足了對(duì)信號(hào)完整性要求，也大大降低了波形過(guò)沖，提高了線路承受干擾的能力。

（二）識(shí)別方法和數(shù)據(jù)處理

裝置系統(tǒng)利用ZUV對(duì)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的視頻信號(hào)進(jìn)行處理。在顯示器的屏幕上，Y信號(hào)和色度信號(hào)可以通過(guò)彩色圖像進(jìn)行提取。ZUV矢量被轉(zhuǎn)換為RGB信號(hào)，以矩陣變換進(jìn)行顯示。除此之外，ZUV也可根據(jù)不同的算法被應(yīng)用到其他的運(yùn)算方式當(dāng)中。

從以上公式可以看出，在檢測(cè)的過(guò)程中閾值T始終起著決定性作用，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度幾乎由它的大小來(lái)決定。當(dāng)T值較小時(shí)，噪聲較大;當(dāng)T值較大時(shí)，它可以濾除一些噪聲，使噪聲較小。但在這種情況下，會(huì)很容易破壞目標(biāo)的連續(xù)性。閾值T有一個(gè)很重要的特性，即缺乏自適應(yīng)性，很難去適應(yīng)周?chē)h(huán)境的變化，所以它對(duì)檢測(cè)條件的要求也十分苛刻。例如，在狂風(fēng)暴雨等極端天氣，會(huì)給預(yù)測(cè)的效果帶來(lái)不確定性，影響檢驗(yàn)的可靠性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，擬提出一種基于幀差法的改進(jìn)算法。

當(dāng)天氣情況發(fā)生變化時(shí)，背景環(huán)境基本保持不變，因此為了保證最后結(jié)果的科學(xué)性，我們可以給判斷條件加上一個(gè)附加項(xiàng)，也就是整體靈敏度。修改判決條件如下：

公式中λ抑制系數(shù)，NA為檢測(cè)區(qū)域A的像素?cái)?shù)，A為整幅圖像。增加項(xiàng)目為：

公式（3）代表整體環(huán)境發(fā)生的變化。當(dāng)整體環(huán)境條件變化較小時(shí)，最終值會(huì)趨近于0;當(dāng)整體環(huán)境條件變化較大時(shí)，最終值會(huì)隨著條件的變化而增加，使公式（2）的條件有效。

首先，收集的圖像會(huì)被轉(zhuǎn)換為視頻數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器。處理完成后，處理器將其以YUV格式傳輸?shù)捷敵鲈O(shè)備以顯示和移動(dòng)對(duì)象，邊緣會(huì)在屏幕上會(huì)進(jìn)行突出處理。

當(dāng)進(jìn)行某些特殊的操作時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一些異常音頻。為了快速識(shí)別異常并將異常音頻與正常音頻進(jìn)行分割，可以使用芯片快速收集實(shí)時(shí)聲音，然后將已識(shí)別的異常聲音狀態(tài)傳輸給主處理器芯片。

在裝置中，音頻輸入和輸出測(cè)試主要包括MCASP配置、通信以及音頻數(shù)據(jù)交換等。測(cè)試音頻主要包括初始化MCASP、通過(guò)IC設(shè)置編解碼器工作模式等方式。除此之外，還需要中央處理器、數(shù)字信號(hào)預(yù)處理（前置放大器、增益、頻帶限制濾波器）、高速A/D接口和信息傳輸端口對(duì)異常音頻進(jìn)行識(shí)別。

在識(shí)別中，需要進(jìn)行和FFT變換以及均值處理。由于計(jì)算數(shù)據(jù)量較大，為了提高效率，保證實(shí)時(shí)性，需要最小化頻率范圍。當(dāng)聲音信號(hào)以40ms的頻率拍攝，并分析每10ms的頻率

讓采樣的數(shù)據(jù)序列為h（n），然后執(zhí)行n個(gè)點(diǎn)的FFT運(yùn)算和Blankman窗口，如下所示：

其中H（k）是輸出序列，W（n）是布萊克曼窗函數(shù);因此，功率譜S（k）=H（k）|，將數(shù)字頻率k轉(zhuǎn)換為模擬頻率f后，從5000Hz到10125Hz的功率譜值之和為E。

當(dāng)采樣序列只包含輸入序列時(shí)，上述算法可以在無(wú)異常音頻時(shí)確定E值;當(dāng)采樣序列包含異常音頻時(shí)，可以此計(jì)算出E'，顯而易見(jiàn)的是，兩者之值并不相等。結(jié)果E'E表示無(wú)異常音頻，E'E則表示異常音頻出現(xiàn)。

（三）研究結(jié)果

裝置的監(jiān)測(cè)對(duì)象為錳材料盒，主要用于其工作過(guò)程中的異常工況進(jìn)行預(yù)警，識(shí)別故障現(xiàn)象。圖4顯示了錳封隔器的整體結(jié)構(gòu)和傳感器布局。裝置的傳感器信息包含視覺(jué)信息，聽(tīng)覺(jué)信息和內(nèi)部傳感器信息。內(nèi)部傳感器的大多數(shù)信息都是指示裝置行程極限的開(kāi)關(guān)值，例如限位開(kāi)關(guān)值、和磁性開(kāi)關(guān)值，采用“0-1控制”-1表示開(kāi)關(guān)接通，0表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

通常在描述裝置的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，只需要根據(jù)少量的傳感信息來(lái)確定裝置是否正常運(yùn)行。例如，可以運(yùn)用平臺(tái)與開(kāi)關(guān)、視覺(jué)信息之間的不同距離來(lái)完成對(duì)工作狀態(tài)的描述;利用伺服電機(jī)的視聽(tīng)信息，可以檢查裝置是否暫停;而氣缸上限的磁開(kāi)關(guān)和包裝位置等信息則可以決定平臺(tái)的工作速度，詳見(jiàn)表1。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人工生成了60條典型斷層。裝置系統(tǒng)的準(zhǔn)確率很高，例如判斷運(yùn)行期間機(jī)器故障狀況的識(shí)別準(zhǔn)確度高達(dá)98.3%，機(jī)器故障現(xiàn)象識(shí)別的準(zhǔn)確度也高達(dá)91.6%。根據(jù)結(jié)果我們可以知道：該裝置的工作是正常的。狀態(tài)可以被有效監(jiān)控。

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的能耗監(jiān)測(cè)功能的準(zhǔn)確性，采用了日本一家公司生產(chǎn)的Hioki3390寬帶功率分析儀作為校準(zhǔn)儀器。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊Hioki3390寬帶功率分析儀安裝在數(shù)控機(jī)床CK6136主電源空氣開(kāi)關(guān)上。曲線記錄如圖5所示?？梢钥闯?，所測(cè)得的功率值的相對(duì)誤差相對(duì)較小。

文章對(duì)數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的實(shí)際能耗進(jìn)行了分析。通過(guò)收集并分析人機(jī)交互界面顯示的機(jī)床能耗總量、機(jī)床能耗有效值、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等信息，將數(shù)據(jù)可視化技術(shù)51與人工操作相輔相成！61。為生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能減排效果的后續(xù)改善提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

從USB端口將成功讀取的數(shù)據(jù)傳送到電腦上處理，根據(jù)每個(gè)通道的數(shù)據(jù)分離原始數(shù)據(jù)，最后輸出數(shù)據(jù)。使用HEXEDIT和MATLAB操作得到數(shù)據(jù)源和波形。每個(gè)數(shù)據(jù)通道的前4個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)幀頭，后4個(gè)字節(jié)是幀數(shù)。結(jié)果如圖6所示。

圖7顯示了經(jīng)過(guò)MATLAB處理后的模擬波形。可以看出，該電壓值與裝置工作電壓28.0V基本吻合。

總結(jié)

基于DM642芯片進(jìn)行處理的嵌入式控制裝置是根據(jù)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。為了檢驗(yàn)該裝置及其系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，在錳包裝生產(chǎn)線上對(duì)該裝置進(jìn)行了測(cè)試。它的運(yùn)行速度極快，具有與數(shù)字設(shè)備較好的兼容型，并具有高度的軟硬件集成度。僅需要更改算法并調(diào)整數(shù)字采樣率便能夠響應(yīng)不同的操作條件和使用需求，軟件和硬件結(jié)構(gòu)靈活，易于推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]柳冠中中國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)機(jī)制思考[J].設(shè)計(jì)，2013（10）：158-163.

[2]吳麗榮光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的應(yīng)用探討[J].電聲技術(shù)，2019，43（06）：54-56.

[3]?？得?基于SCARA控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制[J].南京理工大學(xué)，2008.

[4]張靚，李鐵軍，宗銀雪面向機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的嵌入式視聽(tīng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（08）：29082910+2914.

[5]王聞儀數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究[J].設(shè)計(jì)，2019，32（07）：48-50.

[6]代婧，黃智字手機(jī)APP用戶(hù)體驗(yàn)設(shè)計(jì)中的一致性探究[J]..設(shè)計(jì)，2018（07）：131-133.