嵌入式技术在光机电一体化中的应用探讨

谢贤新

摘 要：光机电一体化是一种集及光电子技术以及计算机信息学技术为一体的一门技术。它是科学发展的必然产物，而且它在设计中和加工制造中的应用最为显著.优点颇多。发展方向又是趋于绿色化等，其发展方向自然是不言而喻的。本文从嵌入式光机电一体化设备的控制系统设计入手，在此基础上对光机电一体化设备嵌入式控制系统应用中的关键技术进行论述，期望通过本文的研究能够提高系统的运行稳定性和可靠性有所帮助。

关键词：技术；光机电一体化；系统；嵌入式控制技术；

引 言

光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。近几年光机电一体化技术逐步运用到军事和民用机械领域当中， 随着社会的发展光机电一体化技术将得到很大程度的推广，渗入到国民经济的各个环节当中。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通信技术于一体的高科技产品，具有很高功能和附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现，使用和发展的技术。

光机电一体化技术是由光学，光电子学，电子信息和机械制造及其他相关技术交叉与融合构成的综合性高新技术是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。它丰富和拓宽了光机电一体化技术的内涵和外延。

1嵌入式光机电一体化设备的控制系统设计

1.1系统的总体设計思路

本文所设计的系统是将嵌入式控制技术与机电一体化技术进行有机融合，以嵌入式控制器和数字信号处理器作为系统的核心，在输入/输出通道上采用目前最为先进的模块化设计，使用少量的CPU口线资源即可方便地队通道进行扩展。在电路板上实现传感器阵列检测、功率驱动、模拟信号采集、数据处理等功能，由此能够确保系统在现场干扰较强的情况下稳定、可靠运行。该系统不仅能够实现机电一体化设备中传感器检测和电动执行器的控制，而且还能实现模拟数据的高速采集与处理。

1.2硬件设计

该系统中共有两块核心芯片，它们是系统功能得以实现的关键，其中一块为控制处理芯片，另一块是数字信号处理芯片。为了进一步提升系统的整体性能，采用了APM+DSP的处理核心结构，这是目前应用较为广泛的一种嵌入式系统结构，APM处理器最为显著的特点是运算能力强，并且基于APM的外围电路设计较为齐全，各种单元几乎全都涵盖，如SPI、IIC、UART、PWM、定时器等等，从而使其更加适合用于机电设备的控制；DSP在系统当中的主要任务是对大量的数字信号进行快速处理。下面重点对各个单元的功能进行分析。

（1）传感器阵列输入单元。在本系统中，采用了阵列输入方式，对输入传感器进行扫描，以此来完成信号的同步检测，不仅能够实现对光电和开关点传感器的状态及变位检测，而且还能实现事件计数。该单元采用了多路选择器作为缓冲电路，这样设计不但有效节省了CPU的口线，又便于扩展，想要对输入进行增减时，只需要对多路选择器进行增减，并不需要对电路进行改动。

（2）控制输出单元。该单元选用带有寻址和锁存功能的输出器件作为扩展，支持最多32路的控制信号输入，它的电路与输入电路极为类似，在此不进行重复介绍。

（3）功率驱动单元。该单元的主要作用是对机电一体化设备当中的大功率器件进行直接驱动，采用了先进的电子电力技术，以功率场效应管作为核心器件，其特点是控制功率较小、反应时间短（可达纳米级），能够对交直流电机、继电器进行控制，不仅如此，还能对电动机进行调速控制。

（4）中控单元。采用APM芯片，由于该芯片具备强大的运算功能，故此其最为适合用于对于机电一体化设备进行实时控制。

（5）数字处理单元。采用DSP芯片其具备高速的数据处理能力，基本能够满足设备的控制要求。

（6）串行接口单元。为适应多种不同人机界面的需要，采用了UART异步串行通信接口，根据一定的通信协议进行数据互传。

1.3软件设计

在本系统的软件设计中，采用了模块化的设计方法，结合机电一体化设备的特点，设计出一下几个模块：

（1）信号输入模块。该模块主要对传感器阵列输入单元进行控制，因系统采用的事可寻址电路，所以每个传感器均能分配到一个确定的地址，并将信号定义为逻辑0和1、上下跳、电平信号、事件脉冲、频率与周期等几种类型。

（2）控制输出模块。该模块与驱动电路相配合能够对直流电机、继电器等不同输出器件进行控制，并且还能实现直流电机的闭环调速。

（3）驱动程序模块。该模块不仅是连接硬件与系统的软件，而且还是实现机电一体化设备功能的基础，，具体包括：伺服机构控制程序、接口驱动程序两个部分。

（4）中断服务程序模块。该模块主要包括以下几个中断：即定时中断、UART中断、SPI中断等等。

（5）设备程序模块。该模块是按照机电一体化设备的实际需求对系统进行组织的专用程序，用户借助这一程序能够实现设备需求，具体包括如下程序：主程序、人机接口程序、专用程序。

由于机电一体化设备的干扰源相对较多，加之干扰比较强烈，故此在以上几个模块中均采用了软件抗干扰措施，即输入与输出抗干扰。

2光机电一体化设备嵌入式控制系统应用中的关键技术

由于大部分光机电设备的运行环境中都存在大量的干扰源，所以控制系统的应用中，抗干扰技术成为不可或缺的关键技术。

2.1抗电机干扰

在光机电一体化设备中，电机对嵌入式控制系统的干扰可分为几种情况进行处理，例如多个电机同时启动需要借助软件进行处理，这样能够有效防止多个电机同时启动对系统造成影响。

2.2抗机械振动干扰

对于光机电一体化设备而言，机械振动是不可避免的问题，最为有效的抗振动方法为延时，具体是指在首次检测到传感器状态发生改变后，延长一段时间，再对其状态进行检查，并最终确认状态信息。

2.3抗ESD干扰

抗ESD干扰最为有效的措施包括屏蔽、加装滤波器、接地等。其中滤波器的应用较为常见，具体而言就是对信号线使用EMI，减少ESD对你处理器主板的干扰，如在信号线上加装铁氧体磁环或是加入RC滤波电路。

3结束语

就光机电一体化设备而言，它的控制具有传感多、控制输出多、现场干扰大、控制流程复杂、实时性强等特点，正因如此，传统的机电一体化控制技术很难满足高性能光机电一体化设备的要求。为有效提高设备的使用性能，本文提出了一种新型的嵌入式光机电设备控制系统，并对其硬件和软件设计进行了详细论述，同时还对系统应用中的关键技术进行分析，以期能够提升设备的运行稳定性。