光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的應(yīng)用研究

李林峰

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，光機(jī)電一體化技術(shù)作為技術(shù)創(chuàng)新成果，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中得到推廣應(yīng)用，其涉及技術(shù)領(lǐng)域范圍廣，既有機(jī)械工程專業(yè)知識(shí)，也有電氣工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)，更有計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究與思考，作為多專業(yè)學(xué)科融合的綜合系統(tǒng)必須積極嘗試整合嵌入式控制系統(tǒng)，提升設(shè)備智能化操作水平和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)信息化水平。文章探討光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制問(wèn)題，在明確技術(shù)嵌入必要性的基礎(chǔ)上，介紹技術(shù)嵌入的具體應(yīng)用成果，并分析其應(yīng)用設(shè)計(jì)，明確其硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，指導(dǎo)嵌入式控制技術(shù)在光機(jī)電一體化設(shè)備中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光機(jī)電一體化;嵌入式;控制技術(shù);融合

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-00-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.002

作為新興的綜合技術(shù)，光機(jī)電一體化技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)控制技術(shù)的改革與顛覆。從技術(shù)發(fā)展前景看，其逐漸朝著智慧化、自動(dòng)化、人性化方向發(fā)展，使得相關(guān)設(shè)備中引入嵌入式控制技術(shù)具有可行性與必要性。當(dāng)前，兩者的嵌入合作推出了一些有益成果，比較典型的是其推出的機(jī)器人技術(shù)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中發(fā)揮了重要作用。因此，此項(xiàng)研究具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 光機(jī)電一體化設(shè)備嵌入式控制的研究背景

首先，機(jī)電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，控制要求更追求精密。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展以及產(chǎn)品性能提升的現(xiàn)實(shí)要求，使得機(jī)電一體化設(shè)備中輸入輸出通道數(shù)目激增，使得光機(jī)電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，增加了不可預(yù)測(cè)的干擾因素。光機(jī)電一體化設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，必須實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間上的精準(zhǔn)控制，傳統(tǒng)的基于電子技術(shù)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)表現(xiàn)出較大的應(yīng)用局限，急需新技術(shù)支持。

其次，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展使光機(jī)電一體化設(shè)備朝著網(wǎng)絡(luò)化變革的方向發(fā)展，設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、能支持運(yùn)行狀態(tài)信息的報(bào)告是基本要求，甚至要求并入更大范圍的網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息化整體的構(gòu)成。當(dāng)前社會(huì)對(duì)設(shè)備人性化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)基于人性化考慮，增加智能化模塊，都是傳統(tǒng)光機(jī)電一體化技術(shù)無(wú)法可解決的問(wèn)題，亟待新技術(shù)給予支持。

最后，光機(jī)電一體化產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更激烈，新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，光機(jī)電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)方法也對(duì)應(yīng)新的要求。在現(xiàn)代光機(jī)電一體化設(shè)備中，機(jī)械系統(tǒng)的生命周期遠(yuǎn)長(zhǎng)于硬件與軟件系統(tǒng)，而后期的維護(hù)主要靠軟件的升級(jí)達(dá)成。開發(fā)的初期就應(yīng)該關(guān)注軟件的維護(hù)問(wèn)題，方便軟件后期維護(hù)、升級(jí)及移植。這些問(wèn)題的產(chǎn)生，客觀上要求研發(fā)與推廣光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)引入光機(jī)電一體化技術(shù)，建立以嵌入式微處理器為核心的性能更高、運(yùn)行更可靠的嵌入式控制系統(tǒng)，既能滿足被控機(jī)械對(duì)象復(fù)雜控制的要求，也推動(dòng)設(shè)備的智能化展。因此，光機(jī)電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的研究備受社會(huì)關(guān)注。

2 技術(shù)嵌入的意義

2.1 提升設(shè)備控制的機(jī)密性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，光機(jī)電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，增加了很多不可控、不可測(cè)的干擾要素，在設(shè)備控制中應(yīng)提高其抗干擾性。而在抗干擾應(yīng)對(duì)中，會(huì)面臨著設(shè)備運(yùn)行效率的降低，因?yàn)樵O(shè)備必須投入一定的精力支持抗干擾作業(yè)執(zhí)行，發(fā)揮其自身價(jià)值。現(xiàn)代機(jī)電設(shè)備要求控制系統(tǒng)無(wú)論是時(shí)間控制還是空間控制都必須精準(zhǔn)、快速、有效，而在傳統(tǒng)光機(jī)電一體化技術(shù)中引入嵌入式控制技術(shù)能夠很好地滿足上述訴求。

2.2 滿足設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求

當(dāng)前，光機(jī)電一體化設(shè)備朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、復(fù)雜化控制的方向發(fā)展[1]，特別是其網(wǎng)絡(luò)化需求不斷衍生，現(xiàn)代化控制系統(tǒng)必須具有鮮明的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)，支持遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)報(bào)告等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高設(shè)備運(yùn)行的智能化程度，也使設(shè)備網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的多元訴求得到不同程度的滿足。傳統(tǒng)的系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光機(jī)電一體化技術(shù)中引入嵌入式控制技術(shù)，能夠滿足光機(jī)電一體化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化需求。

2.3 應(yīng)對(duì)較短開發(fā)周期的壓力

當(dāng)前，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，企業(yè)必須縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，這也對(duì)應(yīng)光機(jī)電一體化設(shè)備研發(fā)的新標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期較長(zhǎng)，無(wú)法滿足快節(jié)奏的現(xiàn)代化生活，無(wú)法支持工業(yè)行業(yè)的高效率運(yùn)作。試想，一家企業(yè)如果在研發(fā)上投入了較大的精力，但由于研發(fā)周期較長(zhǎng)，遲遲看不到研究成果，自然也沒(méi)有研究成果對(duì)應(yīng)的理想的效益回報(bào)，不利于企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[2]。

機(jī)械系統(tǒng)的壽命要高于軟硬件系統(tǒng)，這也意味著軟硬件系統(tǒng)必須及時(shí)更換與升級(jí)，因此，在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮到軟硬件升級(jí)的問(wèn)題，做好后期維護(hù)成本規(guī)劃。

對(duì)于這一問(wèn)題，將嵌入式控制技術(shù)引入光機(jī)電一體化技術(shù)，基于相關(guān)理念支持光機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，以實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的精準(zhǔn)控制，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 嵌入式控制技術(shù)的主要應(yīng)用成果

3.1 工業(yè)控制設(shè)備

嵌入式系統(tǒng)最為常見的應(yīng)用成果是工業(yè)設(shè)備，其實(shí)時(shí)監(jiān)控，支持設(shè)備狀態(tài)信息的高效處理，應(yīng)用效果較為理想。特別是在64位處理器應(yīng)用普及的情況下[3]，能夠提供接口總線資源，保證數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)度與實(shí)效性，提高通信及顯示功能的實(shí)效，使得工業(yè)領(lǐng)域中終端用戶可以短時(shí)間高效、高質(zhì)量地處理工作。

3.2 機(jī)器人

機(jī)器人也是此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用成果。早期的機(jī)器人技術(shù)體系對(duì)應(yīng)的控制方式與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)，但還沒(méi)有達(dá)到芯片水平，主要運(yùn)用非門邏輯電路。隨著機(jī)器人技術(shù)研發(fā)的深入，其開始應(yīng)用處理器與智能控制理論，這也帶動(dòng)了嵌入式處理器的發(fā)展，使得機(jī)器人技術(shù)體系具有更高的運(yùn)行可靠性，操作運(yùn)行程序更加穩(wěn)定，體系結(jié)構(gòu)更加完整。

3.3 分布式控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)也是具體的嵌入應(yīng)用成果。因?yàn)闇y(cè)控對(duì)象多，且生產(chǎn)過(guò)程對(duì)自動(dòng)化要求較高[4]，分布式控制系統(tǒng)利用此項(xiàng)技術(shù)不僅滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，而且加快DCS應(yīng)用效率，推動(dòng)技術(shù)升級(jí)換代。

4 設(shè)計(jì)規(guī)劃與部署

4.1 總體設(shè)計(jì)

先進(jìn)行需求分析，確定設(shè)計(jì)任務(wù)，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)分析中提煉設(shè)計(jì)思路，指導(dǎo)制定設(shè)計(jì)方案，作為后期設(shè)計(jì)評(píng)估的參考標(biāo)準(zhǔn)。在需求分析階段判定系統(tǒng)需求時(shí)，同時(shí)兼顧功能性與非功能性需求，以對(duì)兩者的同時(shí)關(guān)注夯實(shí)輸入輸出項(xiàng)目的綜合監(jiān)督基礎(chǔ)。要重視體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于統(tǒng)籌理念與規(guī)劃思維[5]，不僅要確保描述系統(tǒng)能支持實(shí)現(xiàn)功能性與非功能性需求，而且能夠確保功能劃分的有效。

4.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是結(jié)合體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。系統(tǒng)中一般對(duì)應(yīng)兩塊核心芯片，一塊為控制處理芯片，另一塊為數(shù)字信號(hào)處理芯片，一般采取ARM+DSP處理核心結(jié)構(gòu)。ARM處理器運(yùn)算能力強(qiáng)，涵蓋各個(gè)單元的外圍電路設(shè)計(jì)。DSP主要是負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)的處理。硬件設(shè)計(jì)要落實(shí)到具體的模塊分析中，其中傳感器陣列輸入單元主要是掃描輸入傳感器，同步檢測(cè)信號(hào)，了解光電和開關(guān)電傳感器變化情況。

輸入功率驅(qū)動(dòng)單元是對(duì)光機(jī)電一體化設(shè)備中的大功率器件直接驅(qū)動(dòng)，不僅可以控制功率小、反應(yīng)時(shí)間短的設(shè)備，而且可以控制交流直流電機(jī)、繼電器。數(shù)字處理單元其具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，能滿足設(shè)備要求。串行接口單元滿足操作需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

主要以模塊化設(shè)計(jì)為依據(jù)，結(jié)合光機(jī)電一體化設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，落實(shí)到模塊設(shè)計(jì)中。其中，信號(hào)輸入模塊主要是對(duì)傳感器陣列輸入單元加以控制[6]，其采取尋址電路，每個(gè)傳感器都能對(duì)應(yīng)一個(gè)地址?？刂戚敵瞿K，與驅(qū)動(dòng)電路相配合，進(jìn)行直流電及繼電器等輸出器件的控制。

作為實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體化設(shè)備功能的基礎(chǔ)模塊，驅(qū)動(dòng)程序模塊既包括伺服機(jī)構(gòu)控制程序，也包括接口驅(qū)動(dòng)程序。中斷服務(wù)程序模塊主要有定時(shí)中斷、URT中斷、SPI中斷等。而設(shè)備程序模塊是按照光機(jī)電一體化設(shè)備的需求組織程序，主要有對(duì)應(yīng)主程序、人機(jī)接口程序和專用程序三大程序。

5 應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

光機(jī)電一體化設(shè)備電控系統(tǒng)中抗干擾技術(shù)的應(yīng)用必不可少，其工作環(huán)境比較惡劣，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，電子系統(tǒng)之外又有電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)，使其運(yùn)行中干擾源較多，干擾問(wèn)題比較突出。鑒于光機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中存在一定量的干擾要素[7]，因此，控制系統(tǒng)的運(yùn)用中應(yīng)提高其抗干擾能力，選擇相應(yīng)的抗干擾技術(shù)。常用的抗干擾技術(shù)主要有抗電機(jī)干擾技術(shù)、抗機(jī)械振動(dòng)干擾技術(shù)、抗ESD干擾技術(shù)等。

5.1 抗電機(jī)干擾技術(shù)

對(duì)于嵌入式控制系統(tǒng)干擾，應(yīng)根據(jù)具體情況靈活處理。假設(shè)多個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，則需要及時(shí)借助軟件加以處理，防止因電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)造成的沖擊。

在抗電機(jī)干擾應(yīng)對(duì)中，要堅(jiān)持一定的處理原則，電機(jī)走線與傳感器信號(hào)線或通信線必須有效隔離，PCB板上的走線、電機(jī)電纜走線要及時(shí)與信號(hào)線分隔且保持合理距離，如果位置限制無(wú)法分離，可采取在信號(hào)線上加屏蔽網(wǎng)的舉措，以減少電機(jī)線路對(duì)信號(hào)線的不利影響。電機(jī)產(chǎn)生的尖峰干擾和ESD產(chǎn)生的脈沖干擾在干擾處理上與上述情況類似，可以加以借鑒。

5.2 抗機(jī)械振動(dòng)干擾技術(shù)

對(duì)于設(shè)備，嵌入式控制技術(shù)的引入必然對(duì)應(yīng)機(jī)械振動(dòng)的問(wèn)題。機(jī)械振動(dòng)對(duì)光機(jī)電一體化設(shè)備來(lái)說(shuō)比較常見，處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，常用的采取延時(shí)方法，首次檢測(cè)到傳感器或開關(guān)狀態(tài)改變后進(jìn)行延時(shí)處理，再檢測(cè)狀態(tài)，若狀態(tài)沒(méi)有改變，再確認(rèn)狀態(tài)信息[8]。繼電器的機(jī)械振動(dòng)處理方法與之類似，在第一個(gè)繼電器斷開，第二個(gè)繼電器閉合之間設(shè)置延遲，轉(zhuǎn)換繼電器狀態(tài)。剎車?yán)^電器釋放后，程序中需設(shè)置延時(shí)，避免運(yùn)行繼電器開啟，繼電器釋放可能伴有狀態(tài)的不穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)延遲時(shí)間。光機(jī)電一體化設(shè)備實(shí)時(shí)性要求較高，為消除機(jī)械抖動(dòng)需要延時(shí)處理，有時(shí)代價(jià)較大，可以嘗試于定時(shí)器中斷的方法，一般用于非中斷程序中不對(duì)開關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)，當(dāng)開關(guān)觸點(diǎn)處于抖動(dòng)狀態(tài)，使用特定的邏輯算法會(huì)導(dǎo)致抖動(dòng)計(jì)數(shù)器遞增，接著復(fù)位，然后再遞增、再?gòu)?fù)位，直到開關(guān)觸點(diǎn)穩(wěn)定，計(jì)數(shù)器遞增到最大值，建立開關(guān)閉合標(biāo)志。

5.3 抗ESD干擾技術(shù)

光機(jī)電一體化設(shè)備嵌入控制系統(tǒng)中，要想解決ESD干擾問(wèn)題，可以多種措施靈活選用?？笶SD干擾技術(shù)主要包括屏蔽技術(shù)、加裝濾波器、接地處理等。濾波器加裝應(yīng)用效果理想，較為常見，就是對(duì)信號(hào)使用EMS，減少ESD對(duì)處理器、主板的干擾。最常見的舉措是安裝鐵氧化磁環(huán)或引入專門的RC濾波電路應(yīng)對(duì)干擾。

具體來(lái)說(shuō)，屏蔽措施進(jìn)行信號(hào)的整體屏蔽，主要是于系統(tǒng)內(nèi)部選擇合適的屏蔽電纜。如使用濾波器，使用電磁干擾濾波器減少ESD對(duì)處理器主板的干擾。當(dāng)信號(hào)線上加入鐵氧體磁環(huán)或加入RC濾波電路后，干擾會(huì)明顯減少，干擾一般通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，若硬件無(wú)法支持濾波器作業(yè)，理應(yīng)在軟件中采用數(shù)字濾波器進(jìn)行信號(hào)的濾波。再如接地舉措，ESD能量具有從其放電點(diǎn)到大地之間抗阻較低的特點(diǎn)，如果ESD電阻放電路徑能與線路板地線層連接，ESD能量可以通過(guò)地線釋放，為搭建ESD能量釋放的通道應(yīng)避免接地線，在線路板上循環(huán)布線，避免使用連接件將處理器所在地主板與機(jī)箱外殼連接。如果必須連接，可使用一根單獨(dú)底線與直流電源地線連接或者是通過(guò)一點(diǎn)與機(jī)箱相連。

例如光學(xué)隔離，光學(xué)隔離是在線路中使用光電耦合器傳輸信號(hào)，是目前比較有效的快速隔離干擾的方法。光電耦合器也有隔離電路的功能，在光機(jī)電一體化設(shè)備中進(jìn)行高壓區(qū)與低壓區(qū)的隔離，效果也比較理想。再如監(jiān)視計(jì)時(shí)器舉措，在電路中配置監(jiān)視計(jì)時(shí)器進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)。如果出現(xiàn)脈沖干擾過(guò)強(qiáng)的情況，使得處理器運(yùn)行趨于混亂，監(jiān)視計(jì)時(shí)器發(fā)揮復(fù)位功能，讓系統(tǒng)得以恢復(fù)。通過(guò)監(jiān)視容易受干擾的DSP芯片，取得良好的干擾效果。

6 結(jié)語(yǔ)

光機(jī)電一體化設(shè)備具有傳感器多、控制輸出多、干擾要素多、控制流程繁復(fù)等諸多特點(diǎn)。傳統(tǒng)光機(jī)電一體化設(shè)備運(yùn)行的現(xiàn)有局限和應(yīng)用缺陷，為提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，提高設(shè)備使用性能，可以引入嵌入式控制技術(shù)。通過(guò)總體設(shè)計(jì)的優(yōu)化及硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)的科學(xué)規(guī)劃，并引入關(guān)鍵的抗干擾技術(shù)，實(shí)現(xiàn)嵌入式控制技術(shù)與光機(jī)電一體化技術(shù)的融合，使其切實(shí)發(fā)揮作用。因此，要在嵌入式控制技術(shù)應(yīng)用管控的過(guò)程中整合平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)控制模式效益的理想化。

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