光机电一体化设备的嵌入式控制技术的应用研究

李林峰

摘 要：随着科技的不断发展与创新，光机电一体化技术作为技术创新成果，在工业生产及日常生活中得到推广应用，其涉及技术领域范围广，既有机械工程专业知识，也有电气工程专项设计，更有计算机技术的研究与思考，作为多专业学科融合的综合系统必须积极尝试整合嵌入式控制系统，提升设备智能化操作水平和社会网络信息化水平。文章探讨光机电一体化设备的嵌入式控制问题，在明确技术嵌入必要性的基础上，介绍技术嵌入的具体应用成果，并分析其应用设计，明确其硬件设计、软件设计及设计的关键技术，指导嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用。

关键词：光机电一体化;嵌入式;控制技术;融合

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）11-00-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.002

作为新兴的综合技术，光机电一体化技术是对传统工业控制技术的改革与颠覆。从技术发展前景看，其逐渐朝着智慧化、自动化、人性化方向发展，使得相关设备中引入嵌入式控制技术具有可行性与必要性。当前，两者的嵌入合作推出了一些有益成果，比较典型的是其推出的机器人技术、办公自动化系统、数控机床等，在工业生产、日常生活中发挥了重要作用。因此，此项研究具有现实必要性。

1 光机电一体化设备嵌入式控制的研究背景

首先，机电一体化设备结构更为复杂，控制要求更追求精密。相关技术领域的创新发展以及产品性能提升的现实要求，使得机电一体化设备中输入输出通道数目激增，使得光机电一体化设备结构更复杂，增加了不可预测的干扰因素。光机电一体化设备对实时性要求较高，必须实现时间与空间上的精准控制，传统的基于电子技术的机电一体化控制系统表现出较大的应用局限，急需新技术支持。

其次，网络技术的迅速发展使光机电一体化设备朝着网络化变革的方向发展，设备连入网络实现远程控制、能支持运行状态信息的报告是基本要求，甚至要求并入更大范围的网络，成为企业信息化整体的构成。当前社会对设备人性化设计提出了更高的要求，设计基于人性化考虑，增加智能化模块，都是传统光机电一体化技术无法可解决的问题，亟待新技术给予支持。

最后，光机电一体化产品市场竞争更激烈，新产品开发周期缩短，光机电一体化设备控制系统设计和开发方法也对应新的要求。在现代光机电一体化设备中，机械系统的生命周期远长于硬件与软件系统，而后期的维护主要靠软件的升级达成。开发的初期就应该关注软件的维护问题，方便软件后期维护、升级及移植。这些问题的产生，客观上要求研发与推广光机电一体化设备的嵌入式控制技术，将嵌入式系统技术引入光机电一体化技术，建立以嵌入式微处理器为核心的性能更高、运行更可靠的嵌入式控制系统，既能满足被控机械对象复杂控制的要求，也推动设备的智能化展。因此，光机电一体化设备的嵌入式控制技术的研究备受社会关注。

2 技术嵌入的意义

2.1 提升设备控制的机密性

随着计算机技术、网络技术的不断发展，光机电一体化设备结构日趋复杂，增加了很多不可控、不可测的干扰要素，在设备控制中应提高其抗干扰性。而在抗干扰应对中，会面临着设备运行效率的降低，因为设备必须投入一定的精力支持抗干扰作业执行，发挥其自身价值。现代机电设备要求控制系统无论是时间控制还是空间控制都必须精准、快速、有效，而在传统光机电一体化技术中引入嵌入式控制技术能够很好地满足上述诉求。

2.2 满足设备网络化发展需求

当前，光机电一体化设备朝着智能化、网络化、复杂化控制的方向发展[1]，特别是其网络化需求不断衍生，现代化控制系统必须具有鲜明的网络化特点，支持远程控制、状态报告等，实现远程监控，提高设备运行的智能化程度，也使设备网络发展的多元诉求得到不同程度的满足。传统的系统很难实现，在传统光机电一体化技术中引入嵌入式控制技术，能够满足光机电一体化设备的网络化需求。

2.3 应对较短开发周期的压力

当前，市场竞争不断加剧，企业必须缩短产品开发周期，这也对应光机电一体化设备研发的新标准。产品的设计开发周期较长，无法满足快节奏的现代化生活，无法支持工业行业的高效率运作。试想，一家企业如果在研发上投入了较大的精力，但由于研发周期较长，迟迟看不到研究成果，自然也没有研究成果对应的理想的效益回报，不利于企业提高市场竞争力[2]。

机械系统的寿命要高于软硬件系统，这也意味着软硬件系统必须及时更换与升级，因此，在设计初期就应该考虑到软硬件升级的问题，做好后期维护成本规划。

对于这一问题，将嵌入式控制技术引入光机电一体化技术，基于相关理念支持光机电一体化系统的设计与研发，以实现被控对象的精准控制，缩短产品设计开发周期，提高企业的市场竞争力。

3 嵌入式控制技术的主要应用成果

3.1 工业控制设备

嵌入式系统最为常见的应用成果是工业设备，其实时监控，支持设备状态信息的高效处理，应用效果较为理想。特别是在64位处理器应用普及的情况下[3]，能够提供接口总线资源，保证数据采集精准度与实效性，提高通信及显示功能的实效，使得工业领域中终端用户可以短时间高效、高质量地处理工作。

3.2 机器人

机器人也是此项技术的应用成果。早期的机器人技术体系对应的控制方式与嵌入式系统密切相关，但还没有达到芯片水平，主要运用非门逻辑电路。随着机器人技术研发的深入，其开始应用处理器与智能控制理论，这也带动了嵌入式处理器的发展，使得机器人技术体系具有更高的运行可靠性，操作运行程序更加稳定，体系结构更加完整。

3.3 分布式控制系统

分布式控制系统也是具体的嵌入应用成果。因为测控对象多，且生产过程对自动化要求较高[4]，分布式控制系统利用此项技术不仅满足系统运行要求，而且加快DCS應用效率，推动技术升级换代。

4 设计规划与部署

4.1 总体设计

先进行需求分析，确定设计任务，明确设计目标，在设计分析中提炼设计思路，指导制定设计方案，作为后期设计评估的参考标准。在需求分析阶段判定系统需求时，同时兼顾功能性与非功能性需求，以对两者的同时关注夯实输入输出项目的综合监督基础。要重视体系结构设计，基于统筹理念与规划思维[5]，不仅要确保描述系统能支持实现功能性与非功能性需求，而且能够确保功能划分的有效。

4.2 硬件设计

硬件设计主要是结合体系结构进行设计，以缩短产品研发周期。系统中一般对应两块核心芯片，一块为控制处理芯片，另一块为数字信号处理芯片，一般采取ARM+DSP处理核心结构。ARM处理器运算能力强，涵盖各个单元的外围电路设计。DSP主要是负责数字信号的处理。硬件设计要落实到具体的模块分析中，其中传感器阵列输入单元主要是扫描输入传感器，同步检测信号，了解光电和开关电传感器变化情况。

输入功率驱动单元是对光机电一体化设备中的大功率器件直接驱动，不仅可以控制功率小、反应时间短的设备，而且可以控制交流直流电机、继电器。数字处理单元其具有高速的数据处理能力，能满足设备要求。串行接口单元满足操作需要进行数据传输。

4.3 软件设计

主要以模块化设计为依据，结合光机电一体化设备的运行特点，落实到模块设计中。其中，信号输入模块主要是对传感器阵列输入单元加以控制[6]，其采取寻址电路，每个传感器都能对应一个地址。控制输出模块，与驱动电路相配合，进行直流电及继电器等输出器件的控制。

作为实现光机电一体化设备功能的基础模块，驱动程序模块既包括伺服机构控制程序，也包括接口驱动程序。中断服务程序模块主要有定时中断、URT中断、SPI中断等。而设备程序模块是按照光机电一体化设备的需求组织程序，主要有对应主程序、人机接口程序和专用程序三大程序。

5 应用关键点

光机电一体化设备电控系统中抗干扰技术的应用必不可少，其工作环境比较恶劣，结构十分复杂，电子系统之外又有电气系统、机械系统，使其运行中干扰源较多，干扰问题比较突出。鉴于光机电一体化设备运行环境中存在一定量的干扰要素[7]，因此，控制系统的运用中应提高其抗干扰能力，选择相应的抗干扰技术。常用的抗干扰技术主要有抗电机干扰技术、抗机械振动干扰技术、抗ESD干扰技术等。

5.1 抗电机干扰技术

对于嵌入式控制系统干扰，应根据具体情况灵活处理。假设多个电机同时启动，则需要及时借助软件加以处理，防止因电机同时启动造成的冲击。

在抗电机干扰应对中，要坚持一定的处理原则，电机走线与传感器信号线或通信线必须有效隔离，PCB板上的走线、电机电缆走线要及时与信号线分隔且保持合理距离，如果位置限制无法分离，可采取在信号线上加屏蔽网的举措，以减少电机线路对信号线的不利影响。电机产生的尖峰干扰和ESD产生的脉冲干扰在干扰处理上与上述情况类似，可以加以借鉴。

5.2 抗机械振动干扰技术

对于设备，嵌入式控制技术的引入必然对应机械振动的问题。机械振动对光机电一体化设备来说比较常见，处理起来相对简单，常用的采取延时方法，首次检测到传感器或开关状态改变后进行延时处理，再检测状态，若状态没有改变，再确认状态信息[8]。继电器的机械振动处理方法与之类似，在第一个继电器断开，第二个继电器闭合之间设置延迟，转换继电器状态。刹车继电器释放后，程序中需设置延时，避免运行继电器开启，继电器释放可能伴有状态的不稳定性，应适当延长延迟时间。光机电一体化设备实时性要求较高，为消除机械抖动需要延时处理，有时代价较大，可以尝试于定时器中断的方法，一般用于非中断程序中不对开关的状态检测，当开关触点处于抖动状态，使用特定的逻辑算法会导致抖动计数器递增，接着复位，然后再递增、再复位，直到开关触点稳定，计数器递增到最大值，建立开关闭合标志。

5.3 抗ESD干扰技术

光机电一体化设备嵌入控制系统中，要想解决ESD干扰问题，可以多种措施灵活选用。抗ESD干扰技术主要包括屏蔽技术、加装滤波器、接地处理等。滤波器加装应用效果理想，较为常见，就是对信号使用EMS，减少ESD对处理器、主板的干扰。最常见的举措是安装铁氧化磁环或引入专门的RC滤波电路应对干扰。

具体来说，屏蔽措施进行信号的整体屏蔽，主要是于系统内部选择合适的屏蔽电缆。如使用滤波器，使用电磁干扰滤波器减少ESD对处理器主板的干扰。当信号线上加入铁氧体磁环或加入RC滤波电路后，干扰会明显减少，干扰一般通过硬件实现，若硬件无法支持滤波器作业，理应在软件中采用数字滤波器进行信号的滤波。再如接地举措，ESD能量具有从其放电点到大地之间抗阻较低的特点，如果ESD电阻放电路径能与线路板地线层连接，ESD能量可以通过地线释放，为搭建ESD能量释放的通道应避免接地线，在线路板上循环布线，避免使用连接件将处理器所在地主板与机箱外壳连接。如果必须连接，可使用一根单独底线与直流电源地线连接或者是通过一点与机箱相连。

例如光学隔离，光学隔离是在线路中使用光电耦合器传输信号，是目前比较有效的快速隔离干扰的方法。光电耦合器也有隔离电路的功能，在光机电一体化设备中进行高压区与低压区的隔离，效果也比较理想。再如监视计时器举措，在电路中配置监视计时器进行系统保护。如果出现脉冲干扰过强的情况，使得处理器运行趋于混乱，监视计时器发挥复位功能，让系统得以恢复。通过监视容易受干扰的DSP芯片，取得良好的干扰效果。

6 结语

光机电一体化设备具有传感器多、控制输出多、干扰要素多、控制流程繁复等诸多特点。传统光机电一体化设备运行的现有局限和应用缺陷，为提高设备运行稳定性，提高设备使用性能，可以引入嵌入式控制技术。通过总体设计的优化及硬件设计与软件设计的科学规划，并引入关键的抗干扰技术，实现嵌入式控制技术与光机电一体化技术的融合，使其切实发挥作用。因此，要在嵌入式控制技术应用管控的过程中整合平台设计要点，实现控制模式效益的理想化。

参考文献

[1] 薛小晶.智能控制的价值分析及其在机电一体化系统中的应用[J].中小企业管理与科技，2021（10）：191-193.

[2] 史龙凤.基于PLC的YL-235A型光机电一体化设备实训系统设计与研究[D].西安：西安电子科技大学，2020.

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[5] 帅伟，张俊，郭爱云.信息化技术在“机电设备装调技术”实训课程中的应用与分析——以YL-235A型光机电一体化设备的装配为例[J].江苏科技信息，2017（6）：75-76.

[6] 罗俊.嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的研究和应用[J].山东工业技术，2015（17）：133.

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[8] 阳兴见，雷菊华.光机电一体化实训装置的传感器应用分析——以亚龙YL-235A為例[J].电子制作，2015（3）：63.