嵌入式系统在机电控制中的应用

李林

摘  要：随着信息技术不断发展，智能化设施不断应用于我们生活的方方面面，从智能穿戴到智能交通，这时候产品功能的实现都离不开嵌入式技术的发展，而嵌入式最大的特点就是低功耗和便携性。嵌入式系统在机电控制中的应用功能主要包括了硬件和软件两个环节，在开发过程中需要使用不同的平台和技术。因此本文主要介绍了嵌入式系统在机电控制中的相关问题，希望给相关人员一定的启示作用。

关键词：嵌入式系统  机电控制  低功耗  发展

中图分类号：TP368.1           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（c）-0047-03

Abstract： With the continuous development of information technology， intelligent facilities are continuously used in all aspects of our lives， from smart wear to smart transportation. At this time， the realization of product functions is inseparable from the development of embedded technology， and the biggest feature of embedded is low power consumption and portability. The application function of embedded system in electromechanical control mainly includes two links of hardware and software. Different platforms and technologies need to be used in the development process. Therefore， this article mainly introduces the related problems of embedded system in electromechanical control， and hopes to give some inspiration to relevant personnel.

Key Words： Embedded system; Electromechanical control; Low power consumption; Development

隨着计算机技术飞速的发展，人们生活的智能化水平越来越高。近些年智能穿戴、智能交通、智能城市、智能家居等一系列的概念出现在人们生活当中，这些技术的应用都离开嵌入式系统的发展。嵌入式技术以其低功耗、高稳定性等特点被广泛应用在各个行业当中，大大提高了人们的生活水平[1]。

1  嵌入式系统发展概述

嵌入式系统一种常见的处理单元是基于单片机技术，这种系统能够完成相应的专用任务，在系统构成方面主要包括了中央处理单元（单片机）、硬件设备（传感器和执行器）、以及相应的实时操作系统（u-cos系统）等组成，能够完成通信控制、数据分析和管理等功能。它的核心设备是单片机设备，能够对于相应的数据进行有效地分析和计算，不同型号的单片机的计算能力不同，对于不同控制任务所需要的单片机也要求不同。

随着嵌入式系统的发展，嵌入式技术已经被广泛应用到人们的生活当中，尤其是随着通信技术（5G）以及智能控制算法的发展，嵌入式系统的应用场景越来越多，它的应用大大提高了人们生活水平的质量。目前在单片机核心单元制造上与外国水平还存在着一定的差距，我国目前只能生产一些计算位数较低单片机（8位单片机），在16位、32位单片机以及更高位数的单片机的设计制造方面与国外还有很大的差距。因此研究嵌入式系统的发展对于促进我国行业的发展具有重要的意义[2]。

2  嵌入式系统开发设计

嵌入式系统部署到具体的平台上，还需要根据系统的实际需求来合理地选择相应的设备型号以及设计相应的控制算法，从而更好地保障系统稳定运行。此外，在嵌入式系统设计过程中，要充分利用控制单元的资源，根据不同的设备设计不同的控制算法和选择不同型号的控制单元，平时要对于相关寄存器进行合理的设置，保障所有设备能够工作在最合适的状态下。另外为了更好保障系统规范化和合理化发展，还需要通过利用相应的仿真软件对于嵌入式系统的功耗问题以及运行故障进行相应的仿真和计算，及时发现潜在的问题，从而制定相应的解决方案，保障嵌入式系统的发展[3]。

3  嵌入式系统的微内核

微核结构的设计应用能够提高嵌入式系统代码的移植性和扩展性，但是随着嵌入式系统规模化和集成化的发展，使得微内核设计的内容更加复杂，这就对于设计软件和设计方案提出了更高的要求。过于复杂的微内核设计会极大地增加系统的功耗，阻碍系统的运行的性能。尤其时代进入了大数据时代，使得单片机需要处理的数据呈现指数倍数的增长，这样对于微内核的性能提出了更高的要求，这就需要对于微内核进行优化设计，从而有效提高嵌入式系统的性能。另外对于微控制器来说，它的能量主要来自时钟系统驱动，在时钟驱动下不断根据周期指令来完成不同控制指令的读写任务，这个过程中需要使用软件代码进行合理的控制，从而最大程度发挥单片机的性能。

4  机电控制

嵌入式系统在机电控制方面具有很强的优势。利用单片机控制能够满足机电控制的各种场合需求。通过传感器采集机电系统中各种传感器的参数，通过对于这些信号进行一定的滤波处理，将滤波后的信号直接送到MCU内部进行处理，根据不同的任务（如控制或者通信）完成不同的算法计算和控制，在计算完成之后通过发出相应的控制指令去控制相应的执行结构，例如伺服电机、各种执行结构。机电控制的目的就是通过弱点控制强电的方法，我们都知道机电系统的执行结构都是一些大的执行结构，例如电机，这些电压和电流等级很高，在控制过程中不需要对于这些电流电压进行控制，只需要通过控制相应的电子器件就能够通过微弱的电流控制强大的电流。在机电控制系统设计过程中需要采用分模块的设计思路，将电源模块、执行模块、驱动模块以及控制模块进行分层次设计，保障最终的设计便于调试、维护以及使用，这样对于机电控制系统的发展也是至关重要的。

5  基于嵌入式系统的机电控制系统开发研究

5.1 硬件结构开发

在基于嵌入式系统的机电控制系统硬件开发过程中，主要使用Stewart硬件开发平台来对机电设备进行开发。而Stewart平台主要是一个机械手臂开发平台，机械手的数量主要有6个，而且这个系统还配置有大射电望远镜指向跟踪系统，这使得机械手能够完成高精度和实时性地控制运动。本文主要列举了三种Stewart机电控制系统开发方案。第一种是PC+伺服驱动器+PMAC的方案，这种方案的特点是可靠性高、开发成本高、扩展性差、实时性差。第二种是PC+定时卡+DA卡+编码器卡+伺服驱动器+算法的开发方案，这种方案的特点是开发成本一般，可靠性差、扩展性强、适用性一般。第三种是伺服驱动器+嵌入式控制器的开发方案，这种非方案的特点是开发成本低、性价比和可靠性高、扩展性强以及适用性强。在实际开发过程中，需要综合考虑到各种因素的影响以及硬件设备资源情况来选择合适的硬件开发方案。

5.2 软件结构开发

在基于嵌入式系统的机电控制系统软件开发过程中，一般都是采用ucos作为RTOS开发软件的基础。软件开发过程中有6个主要部分组成，他们分别是多任务管理模块、ISA接口管理模块、内存资源管理模块、系统中断管理模块、伺服电机 ADRC 算法、UART串口管理模块。其中，多任务管理、中断管理模块主要用ucos进行编写，而其中的接口和中断模块里面的中断服务程序可以由用户进行编程和改写[3]。在机电控制过程中，主要采用PID控制算法对电机进行有效的控制，从而保障机电设备安全稳定地运行。而很多企业对于PID算法进行相应的修改和变形，很多企业采用ADRC 算法控制电机。此外，为了使得ADRC更好地应用在机电控制过程中，还需要对于相关参数进行相应的优化。

6  机电控制未来发展趋势

随着人工智能技术以及智能制造技术的发展，未来机械制造逐渐朝着信息化、智能化以及集成化的方向发展，也就需要机电控制系统逐渐朝着信息化以及智能化的方向发展。机电控制的相關理念也需要发生一定的变化。在未来，机械加工的模式和技术将打破传统机械加工的概念，通过将工业物联网技术和加工技术有机结合起来，使得机械加工的效率得到显著提升。通过建立完善的工业信息网络，能够将工业制造分为不同的系统层级，在不同层级赋予不同的功能和任务，像通信网络一样，未来很多应用可以通过移动终端或者云端来完成，加工现场和设计现场能够完成相应的分离，更好地为用户提供个性化的加工服务。

7  结语

嵌入式技术一直是各个行业研究的热点，嵌入式系统被广泛应用到各个领域当中。在将嵌入式技术应用到机电控制过程中，需要考虑到硬件和软件的设计方案，从而使最终设计的方案能够更好地应用到机电控制当中。

参考文献

[1] 王晓涓，单康.基于模糊逻辑的小型气源定位移动机器人的设计[J].机床与液压，2019，47（11）：7-11.

[2] 黄怿豪，冯劲草，郑寒月，等.航空机载嵌入式控制软件需求建模的形式化工程方法[J].计算机工程与科学，2019，41（6）：1016-1025.

[3] 黄俊杰，汪涛，王文烁，等.基于嵌入式的工业多信息网络交换系统设计[J].仪表技术与传感器，2019（6）：123-126.

[4] 陆舜.嵌入式实时操作系统在单片机中的开发应用程序[J].电子世界，2019（3）：66，68.

[5] 王维东，姚秀君.嵌入式系统在机电控制中的应用[J].民营科技，2017（6）：32.

[6] 李锋，王田苗，魏洪兴.资源受限嵌入式机电控制系统功耗感知调度[J].北京航空航天大学学报，2011，37（1）：58-62.

[7] 叶飞.基于μCOsⅡ的远程机电测控系统研究[J].湖北农机化，2017（6）：56-57.