李林峰

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，光機電一體化技術(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用，其涉及技術(shù)領(lǐng)域范圍廣，既有機械工程專業(yè)知識，也有電氣工程專項設(shè)計，更有計算機技術(shù)的研究與思考，作為多專業(yè)學科融合的綜合系統(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網(wǎng)絡(luò)信息化水平。文章探討光機電一體化設(shè)備的嵌入式控制問題，在明確技術(shù)嵌入必要性的基礎(chǔ)上，介紹技術(shù)嵌入的具體應用成果，并分析其應用設(shè)計，明確其硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，指導嵌入式控制技術(shù)在光機電一體化設(shè)備中的應用。

關(guān)鍵詞：光機電一體化;嵌入式;控制技術(shù);融合

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：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)，光機電一體化技術(shù)是對傳統(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器人技術(shù)、辦公自動化系統(tǒng)、數(shù)控機床等，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中發(fā)揮了重要作用。因此，此項研究具有現(xiàn)實必要性。

1 光機電一體化設(shè)備嵌入式控制的研究背景

首先，機電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復雜，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)實要求，使得機電一體化設(shè)備中輸入輸出通道數(shù)目激增，使得光機電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)更復雜，增加了不可預測的干擾因素。光機電一體化設(shè)備對實時性要求較高，必須實現(xiàn)時間與空間上的精準控制，傳統(tǒng)的基于電子技術(shù)的機電一體化控制系統(tǒng)表現(xiàn)出較大的應用局限，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)實現(xiàn)遠程控制、能支持運行狀態(tài)信息的報告是基本要求，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。當前社會對設(shè)備人性化設(shè)計提出了更高的要求，設(shè)計基于人性化考慮，增加智能化模塊，都是傳統(tǒng)光機電一體化技術(shù)無法可解決的問題，亟待新技術(shù)給予支持。

最后，光機電一體化產(chǎn)品市場競爭更激烈，新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短，光機電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)方法也對應新的要求。在現(xiàn)代光機電一體化設(shè)備中，機械系統(tǒng)的生命周期遠長于硬件與軟件系統(tǒng)，而后期的維護主要靠軟件的升級達成。開發(fā)的初期就應該關(guān)注軟件的維護問題，方便軟件后期維護、升級及移植。這些問題的產(chǎn)生，客觀上要求研發(fā)與推廣光機電一體化設(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、運行更可靠的嵌入式控制系統(tǒng)，既能滿足被控機械對象復雜控制的要求，也推動設(shè)備的智能化展。因此，光機電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的研究備受社會關(guān)注。

2 技術(shù)嵌入的意義

2.1 提升設(shè)備控制的機密性

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，光機電一體化設(shè)備結(jié)構(gòu)日趨復雜，增加了很多不可控、不可測的干擾要素，在設(shè)備控制中應提高其抗干擾性。而在抗干擾應對中，會面臨著設(shè)備運行效率的降低，因為設(shè)備必須投入一定的精力支持抗干擾作業(yè)執(zhí)行，發(fā)揮其自身價值。現(xiàn)代機電設(shè)備要求控制系統(tǒng)無論是時間控制還是空間控制都必須精準、快速、有效，而在傳統(tǒng)光機電一體化技術(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

當前，光機電一體化設(shè)備朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、復雜化控制的方向發(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，支持遠程控制、狀態(tài)報告等，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，提高設(shè)備運行的智能化程度，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)很難實現(xiàn)，在傳統(tǒng)光機電一體化技術(shù)中引入嵌入式控制技術(shù)，能夠滿足光機電一體化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化需求。

2.3 應對較短開發(fā)周期的壓力

當前，市場競爭不斷加劇，企業(yè)必須縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，這也對應光機電一體化設(shè)備研發(fā)的新標準。產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期較長，無法滿足快節(jié)奏的現(xiàn)代化生活，無法支持工業(yè)行業(yè)的高效率運作。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，遲遲看不到研究成果，自然也沒有研究成果對應的理想的效益回報，不利于企業(yè)提高市場競爭力[2]。

機械系統(tǒng)的壽命要高于軟硬件系統(tǒng)，這也意味著軟硬件系統(tǒng)必須及時更換與升級，因此，在設(shè)計初期就應該考慮到軟硬件升級的問題，做好后期維護成本規(guī)劃。

對于這一問題，將嵌入式控制技術(shù)引入光機電一體化技術(shù)，基于相關(guān)理念支持光機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，以實現(xiàn)被控對象的精準控制，縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期，提高企業(yè)的市場競爭力。

3 嵌入式控制技術(shù)的主要應用成果

3.1 工業(yè)控制設(shè)備

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

3.2 機器人

機器人也是此項技術(shù)的應用成果。早期的機器人技術(shù)體系對應的控制方式與嵌入式系統(tǒng)密切相關(guān)，但還沒有達到芯片水平，主要運用非門邏輯電路。隨著機器人技術(shù)研發(fā)的深入，其開始應用處理器與智能控制理論，這也帶動了嵌入式處理器的發(fā)展，使得機器人技術(shù)體系具有更高的運行可靠性，操作運行程序更加穩(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)也是具體的嵌入應用成果。因為測控對象多，且生產(chǎn)過程對自動化要求較高[4]，分布式控制系統(tǒng)利用此項技術(shù)不僅滿足系統(tǒng)運行要求，而且加快DCS應用效率，推動技術(shù)升級換代。

4 設(shè)計規(guī)劃與部署

4.1 總體設(shè)計

先進行需求分析，確定設(shè)計任務，明確設(shè)計目標，在設(shè)計分析中提煉設(shè)計思路，指導制定設(shè)計方案，作為后期設(shè)計評估的參考標準。在需求分析階段判定系統(tǒng)需求時，同時兼顧功能性與非功能性需求，以對兩者的同時關(guān)注夯實輸入輸出項目的綜合監(jiān)督基礎(chǔ)。要重視體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，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

硬件設(shè)計主要是結(jié)合體系結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。系統(tǒng)中一般對應兩塊核心芯片，一塊為控制處理芯片，另一塊為數(shù)字信號處理芯片，一般采取ARM+DSP處理核心結(jié)構(gòu)。ARM處理器運算能力強，涵蓋各個單元的外圍電路設(shè)計。DSP主要是負責數(shù)字信號的處理。硬件設(shè)計要落實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，同步檢測信號，了解光電和開關(guān)電傳感器變化情況。

輸入功率驅(qū)動單元是對光機電一體化設(shè)備中的大功率器件直接驅(qū)動，不僅可以控制功率小、反應時間短的設(shè)備，而且可以控制交流直流電機、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行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 軟件設(shè)計

主要以模塊化設(shè)計為依據(jù)，結(jié)合光機電一體化設(shè)備的運行特點，落實到模塊設(shè)計中。其中，信號輸入模塊主要是對傳感器陣列輸入單元加以控制[6]，其采取尋址電路，每個傳感器都能對應一個地址?？刂戚敵瞿K，與驅(qū)動電路相配合，進行直流電及繼電器等輸出器件的控制。

作為實現(xiàn)光機電一體化設(shè)備功能的基礎(chǔ)模塊，驅(qū)動程序模塊既包括伺服機構(gòu)控制程序，也包括接口驅(qū)動程序。中斷服務程序模塊主要有定時中斷、URT中斷、SPI中斷等。而設(shè)備程序模塊是按照光機電一體化設(shè)備的需求組織程序，主要有對應主程序、人機接口程序和專用程序三大程序。

5 應用關(guān)鍵點

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

5.1 抗電機干擾技術(shù)

對于嵌入式控制系統(tǒng)干擾，應根據(jù)具體情況靈活處理。假設(shè)多個電機同時啟動，則需要及時借助軟件加以處理，防止因電機同時啟動造成的沖擊。

在抗電機干擾應對中，要堅持一定的處理原則，電機走線與傳感器信號線或通信線必須有效隔離，PCB板上的走線、電機電纜走線要及時與信號線分隔且保持合理距離，如果位置限制無法分離，可采取在信號線上加屏蔽網(wǎng)的舉措，以減少電機線路對信號線的不利影響。電機產(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 抗機械振動干擾技術(shù)

對于設(shè)備，嵌入式控制技術(shù)的引入必然對應機械振動的問題。機械振動對光機電一體化設(shè)備來說比較常見，處理起來相對簡單，常用的采取延時方法，首次檢測到傳感器或開關(guān)狀態(tài)改變后進行延時處理，再檢測狀態(tài)，若狀態(tài)沒有改變，再確認狀態(tài)信息[8]。繼電器的機械振動處理方法與之類似，在第一個繼電器斷開，第二個繼電器閉合之間設(shè)置延遲，轉(zhuǎn)換繼電器狀態(tài)。剎車繼電器釋放后，程序中需設(shè)置延時，避免運行繼電器開啟，繼電器釋放可能伴有狀態(tài)的不穩(wěn)定性，應適當延長延遲時間。光機電一體化設(shè)備實時性要求較高，為消除機械抖動需要延時處理，有時代價較大，可以嘗試于定時器中斷的方法，一般用于非中斷程序中不對開關(guān)的狀態(tài)檢測，當開關(guān)觸點處于抖動狀態(tài)，使用特定的邏輯算法會導致抖動計數(shù)器遞增，接著復位，然后再遞增、再復位，直到開關(guān)觸點穩(wěn)定，計數(shù)器遞增到最大值，建立開關(guān)閉合標志。

5.3 抗ESD干擾技術(shù)

光機電一體化設(shè)備嵌入控制系統(tǒng)中，要想解決ESD干擾問題，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。濾波器加裝應用效果理想，較為常見，就是對信號使用EMS，減少ESD對處理器、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濾波電路應對干擾。

具體來說，屏蔽措施進行信號的整體屏蔽，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對處理器主板的干擾。當信號線上加入鐵氧體磁環(huán)或加入RC濾波電路后，干擾會明顯減少，干擾一般通過硬件實現(xiàn)，若硬件無法支持濾波器作業(yè)，理應在軟件中采用數(shù)字濾波器進行信號的濾波。再如接地舉措，ESD能量具有從其放電點到大地之間抗阻較低的特點，如果ESD電阻放電路徑能與線路板地線層連接，ESD能量可以通過地線釋放，為搭建ESD能量釋放的通道應避免接地線，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箱外殼連接。如果必須連接，可使用一根單獨底線與直流電源地線連接或者是通過一點與機箱相連。

例如光學隔離，光學隔離是在線路中使用光電耦合器傳輸信號，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，在光機電一體化設(shè)備中進行高壓區(qū)與低壓區(qū)的隔離，效果也比較理想。再如監(jiān)視計時器舉措，在電路中配置監(jiān)視計時器進行系統(tǒng)保護。如果出現(xiàn)脈沖干擾過強的情況，使得處理器運行趨于混亂，監(jiān)視計時器發(fā)揮復位功能，讓系統(tǒng)得以恢復。通過監(jiān)視容易受干擾的DSP芯片，取得良好的干擾效果。

6 結(jié)語

光機電一體化設(shè)備具有傳感器多、控制輸出多、干擾要素多、控制流程繁復等諸多特點。傳統(tǒng)光機電一體化設(shè)備運行的現(xiàn)有局限和應用缺陷，為提高設(shè)備運行穩(wěn)定性，提高設(shè)備使用性能，可以引入嵌入式控制技術(shù)。通過總體設(shè)計的優(yōu)化及硬件設(shè)計與軟件設(shè)計的科學規(guī)劃，并引入關(guān)鍵的抗干擾技術(shù)，實現(xiàn)嵌入式控制技術(shù)與光機電一體化技術(shù)的融合，使其切實發(fā)揮作用。因此，要在嵌入式控制技術(shù)應用管控的過程中整合平臺設(shè)計要點，實現(xiàn)控制模式效益的理想化。

參考文獻

[1] 薛小晶.智能控制的價值分析及其在機電一體化系統(tǒng)中的應用[J].中小企業(yè)管理與科技，2021（10）：191-193.

[2] 史龍鳳.基于PLC的YL-235A型光機電一體化設(shè)備實訓系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].西安：西安電子科技大學，2020.

[3] 周秋燕.關(guān)于PLC控制的機電一體化設(shè)備的安裝及調(diào)試探析[J].電子測試，2020（2）：112-115.

[4] 吳麗榮.光機電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的應用探討[J].電聲技術(shù)，2019，43（6）：54-56.

[5] 帥偉，張俊，郭愛云.信息化技術(shù)在“機電設(shè)備裝調(diào)技術(shù)”實訓課程中的應用與分析——以YL-235A型光機電一體化設(shè)備的裝配為例[J].江蘇科技信息，2017（6）：75-76.

[6] 羅俊.嵌入式控制技術(shù)在光機電一體化設(shè)備中的研究和應用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（17）：133.

[7] 孫偉.光機電一體化設(shè)備的嵌入式控制技術(shù)的應用分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（9）：224.

[8] 陽興見，雷菊華.光機電一體化實訓裝置的傳感器應用分析——以亞龍YL-235A為例[J].電子制作，2015（3）：63.