謝賢新

摘 要：光機電一體化是一種集及光電子技術(shù)以及計算機信息學(xué)技術(shù)為一體的一門技術(shù)。它是科學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物，而且它在設(shè)計中和加工制造中的應(yīng)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(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計入手，在此基礎(chǔ)上對光機電一體化設(shè)備嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(guān)鍵詞：技術(shù)；光機電一體化；系統(tǒng)；嵌入式控制技術(shù)；

引 言

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

光機電一體化技術(shù)是由光學(xué)，光電子學(xué)，電子信息和機械制造及其他相關(guān)技術(shù)交叉與融合構(gòu)成的綜合性高新技術(shù)是諸多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和高新技術(shù)裝備的基礎(chǔ)。它豐富和拓寬了光機電一體化技術(shù)的內(nèi)涵和外延。

1嵌入式光機電一體化設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

本文所設(shè)計的系統(tǒng)是將嵌入式控制技術(shù)與機電一體化技術(shù)進(jìn)行有機融合，以嵌入式控制器和數(shù)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(jìn)的模塊化設(shè)計，使用少量的CPU口線資源即可方便地隊通道進(jìn)行擴展。在電路板上實現(xiàn)傳感器陣列檢測、功率驅(qū)動、模擬信號采集、數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)機電一體化設(shè)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(shù)據(jù)的高速采集與處理。

1.2硬件設(shè)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(guān)鍵，其中一塊為控制處理芯片，另一塊是數(shù)字信號處理芯片。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的整體性能，采用了APM+DSP的處理核心結(jié)構(gòu)，這是目前應(yīng)用較為廣泛的一種嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)備的控制；DSP在系統(tǒng)當(dāng)中的主要任務(wù)是對大量的數(shù)字信號進(jìn)行快速處理。下面重點對各個單元的功能進(jìn)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(jìn)行掃描，以此來完成信號的同步檢測，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對光電和開關(guān)點傳感器的狀態(tài)及變位檢測，而且還能實現(xiàn)事件計數(shù)。該單元采用了多路選擇器作為緩沖電路，這樣設(shè)計不但有效節(jié)省了CPU的口線，又便于擴展，想要對輸入進(jìn)行增減時，只需要對多路選擇器進(jìn)行增減，并不需要對電路進(jìn)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(jìn)行重復(fù)介紹。

（3）功率驅(qū)動單元。該單元的主要作用是對機電一體化設(shè)備當(dāng)中的大功率器件進(jìn)行直接驅(qū)動，采用了先進(jìn)的電子電力技術(shù)，以功率場效應(yīng)管作為核心器件，其特點是控制功率較小、反應(yīng)時間短（可達(dá)納米級），能夠?qū)恢绷麟姍C、繼電器進(jìn)行控制，不僅如此，還能對電動機進(jìn)行調(diào)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(shè)備進(jìn)行實時控制。

（5）數(shù)字處理單元。采用DSP芯片其具備高速的數(shù)據(jù)處理能力，基本能夠滿足設(shè)備的控制要求。

（6）串行接口單元。為適應(yīng)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(jù)一定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳。

1.3軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用了模塊化的設(shè)計方法，結(jié)合機電一體化設(shè)備的特點，設(shè)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(jìn)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(qū)動電路相配合能夠?qū)χ绷麟姍C、繼電器等不同輸出器件進(jìn)行控制，并且還能實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)調(diào)速。

（3）驅(qū)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(shè)備功能的基礎(chǔ)，，具體包括：伺服機構(gòu)控制程序、接口驅(qū)動程序兩個部分。

（4）中斷服務(wù)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(shè)備程序模塊。該模塊是按照機電一體化設(shè)備的實際需求對系統(tǒng)進(jìn)行組織的專用程序，用戶借助這一程序能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)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(shè)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(shè)備嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

由于大部分光機電設(shè)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(yīng)用中，抗干擾技術(shù)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1抗電機干擾

在光機電一體化設(shè)備中，電機對嵌入式控制系統(tǒng)的干擾可分為幾種情況進(jìn)行處理，例如多個電機同時啟動需要借助軟件進(jìn)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(shè)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(jìn)行檢查，并最終確認(rèn)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(yīng)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(jié)束語

就光機電一體化設(shè)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(fù)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(shù)很難滿足高性能光機電一體化設(shè)備的要求。為有效提高設(shè)備的使用性能，本文提出了一種新型的嵌入式光機電設(shè)備控制系統(tǒng)，并對其硬件和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)論述，同時還對系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，以期能夠提升設(shè)備的運行穩(wěn)定性。