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光機電一體化設備的嵌入式控制技術應用研究
隨著現代科學技術的不斷迸步，不同學科問的交叉與滲透日益增多，且不斷發展。在工程領域。由于微電子技術和計算機技術的迅猛發展及其向機械工業技術的不斷滲透，形成了所謂的機電一體化技術。
從而使機械工業的技術結構、產品結構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化。在機電一體化技術領域中引入嵌入式系統技術，將更加促進機電一體化技術的發展。機電一體化設備的嵌入式控制技術是嵌入式系統技術與機電一體化技術的結合，即將嵌入式系統技術應用于機電一體化中.具體的說就是把嵌入式系統開發和設計的相關理論、技術引入到機電一體化系統的開發和設計中，建立以嵌入式微處理器(或微控制器)為核心，以高性能、高可靠性的硬件和軟件為保障的機電一體化設備嵌入式控制系統，在滿足被控機械對象的復雜控制要求的同時滿足現代工業對于設備智能化、網絡化的需求.本文研究了機電一體化嵌入式控制技術的相關設計方法和應用，在此基礎上，研制了針對光機電一體化設備的新型電控系統，并將該電控系統應用到數碼印刷一體機中。
在內容安排上，本文首先介紹了機電一體化技術及其發展狀況，闡述嵌入式系統技術及其相關的知識，描述了且前嵌入式系統在機電一體化設備中的一些應用。隨后，本文對機電一體化設備嵌入式控制系統的結構進行了分析，給出了機電一體化嵌入式控制系統的分層整體框架;分析了機電一體化嵌入式控制系統的設計的一些特點;重點研究了一種基于分層和模塊化的機電一體化嵌入式控制系統設計方法，并對其中的基于可重用的軟件模塊設計方法的設計思想和設計流程作了詳細分析。
然后，在上面介紹的機電一體化嵌入式控制系統整體框架基礎上，對機電一體化設備的特點和需求進行了詳細分析，應用以ARM+DSP為處理核心的硬件模塊設計方法和基于可重用的軟件模塊設計方法，設計了一種針對光機電一體化設備的新型智能電控系統。
本文最后介紹將新型智能電控系統應用于實際設備上的詳細過程。首先分析了一種現代辦公設備：數碼印刷一體機的技術特點，以及目前國內外在這方面的技術進展：然后對數碼印刷一體機進行硬件和軟件的需求分析;詳細介紹了將新型智能電控系統應用在數碼印刷一體機上的實現過程;最后總結了新型電控系統設計和應用中的關鍵技術：抗干擾技術。
由于新型電控系統在設計之初就采取模塊化的設計，所以在應用過程中，只需要對模塊進行增減，非常方便。應用了新型電控系統的數碼印刷一體機工作穩定可靠，性能先進，現已大批量投入實用。
關鍵詞： 機電一體化。嵌入式控制技術，ARM，設計方法，數碼印刷一體機，抗干擾技術
1、緒論
1.1引言
機電一體化(Mecha垃onics)技術是微電子技術向傳統機械工程滲透而形成的融合機械工程、電氣工程、計算機科學、信息技術等為一體的新興綜合技術。
以機電一體化技術為代表的現代制造技術，極大地推動了經濟、社會的發展進步，改變了人們的傳統觀念。二十一世紀的機電一體化技術，日益向小型化、智能化、網絡化方向發展，而這正是嵌入式系統技術的優勢所在.嵌入式系統(Embedded System)技術最早出現于二十世紀七八十年代，起初是為了將通用計算機引入到某些特定的對象系統中，如船舶自動駕駛、工業生產檢測系統等。后來由于半導體技術、電子技術和計算機技術等相關領域的進步，嵌入式系統技術獲得蓬勃發展，在工業控制、網絡通信、消費類電子、信息家電等領域獲得廣泛應用，現已被認為是二十一世紀最有生命力的新技術之一。嵌入式系統雖然發端于通用計算機系統，但實際上現在各種各樣的嵌入式系統數量已遠遠超過通用計算機系統。據統計，全球每年生產的CPU的數量大概在二十億顆左右，其中大部分是為各種專用性很強的嵌入式系統設計和制造的。
機電一體化嵌入式控制技術即是機電一體化技術與嵌入式系統技術的結合，是將嵌入式系統技術應用于機電一體化設備的控制當中。具體的說就是把嵌入式系統開發和設計的相關理論、技術引入到機電一體化系統的開發和設計中，建立以嵌入式微處理器(或微控制器)為核心，以高性能、高可靠性的硬件和軟件為保障的嵌入式系統，在滿足被控機械對象的復雜控制要求的同時滿足現代工業對于設備智能化、網絡化的需求.其實在社會生活和生產的各個領域，數控機床、工業機器人、自動化辦公設備、智能玩具等使用嵌入式系統技術的先進設備正在迅速改變傳統的工業生產和社會生活方式。而上述設各都可以看作是機電一體化技術和嵌入式系統技術相結合的產物。
1.2機電一體化技術及其發展概況
1.2.1機電一體化
機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。機電一體化是現代工程技術的前沿，它是一個多門基礎應用學科共同產生的新的工程技術學科。它的技術基礎是現代的機械制造技術和電子控制技術，以及迅猛發展的電腦軟件技術。它的應用所生產的產品，已經廣泛出現在全世界。d,N體內微血管手術機器人，大到航天飛機，空間站。它已經從機械工程的附屬學科，獨立成為了前沿科學。它代表了～個國家科學技術的整體發展水平的一個方面。“機電一體化的基本特征可概括為：機電一體化是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術(包含氣動和液壓技術)、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。
因此，“機電一體化”涵蓋“技術”和“產品”兩個方面.只不過，機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術，而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區別。機械工程技術由純技術發展到機械電氣化，仍屬傳統機械，其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸，具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區別。
1.2.2機電一體化的發展狀況
機電一體化的發展大體可以分為3個階段。20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺或不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能.特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合，這些機電結合的技術，戰后轉為民用，對戰后經濟的恢復起了積極的作用。那時研制和開發從總體上看還處于自發狀態。
由于當時電子技術的發展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展，已經開發的產品也無法大量推廣。
20世紀70年代～90年代為第二階段，可稱為蓬勃發展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發展，為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模集成電路和微型計算機的迅猛發展，為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是：(甄nechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界范圍內得到比較廣泛的承認;②機電一體化技術和產品得到了極大發展;③各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。. 。
20世紀90年代后期，開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發展時期。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支;另一方面對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時，由于人工智能技術、神經網絡技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系.我國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和應用。國務院成立了機電一體化領導小組并將該技術列入“863計劃”中。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關于機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及應用做了大量的工作，取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。
1.3嵌入式系統及其技術研究現狀
自從上世紀七十年代最初的基于單片機的嵌入式系統產生以來，經過30多年的發展，嵌入式系統已經深入到當今世界的每個角落。人們現在已經習慣了依賴個人電腦，如果沒有了電腦，大概會讓人覺得無所適從�？梢鞘澜缟蠜]有了嵌入式系統，這個世界馬上會陷入一片混亂!試想一下，世界上所有含有嵌入式系統的設備都停止工作，會是什么樣子?在家里，我們會發現電視機、DVD不能播放;冰箱溫度混亂，食物很快壞掉;微波爐不能工作，連洗衣機都開始罷工l在街上，汽車無法發動，我們只有步行，可是紅綠燈完全失效，整個城市的交通迅速癱瘓f天上的飛機沒有導航設備，怎么還能飛行?所以雖然我們看不見嵌入式系統，但是嵌入式系統確實無處不在!那么究竟什么是嵌入式系統?
1.3.1嵌入式系統的定義
由于嵌入式系統無處不在，不同的嵌入式系統針對目標不一樣，導致嵌入式系統的專用性非常強。比如微波爐中的嵌入式系統和火星車上的嵌入式系統，兩者除了都包含一個嵌入式微處理器之外，幾乎沒有任何相同點。嵌入式系統強烈的多樣性和專用性導致很難給嵌入式系統下～個全面并且準確的定義，通常我們只是從某一個方面對嵌入式系統下一個定義，從另外一個方面來看，有需要下不同的定義。下面介紹兩種比較通用的定義。
嵌入式系統是控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置。嵌入式系統是：以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。
前一種定義是IEEE對嵌入式系統的定義，主要是從應用的角度對嵌入式系統作了一個比較籠統的總結。按照這種定義，嵌入式系統包括了軟件和硬件，甚至連機械部件等附屬裝置也屬于嵌入式系統的一部分。
第二種定義是國內目前普遍被認同的定義，主要從技術的角度出發，限定了嵌入式系統的內涵�？梢詮囊韵聨讉�方面來理解國內對嵌入式系統的定義：
木嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優勢.可以這樣裂解上述三個方面的含義，即嵌入式系統是與應用緊密結合的，他具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的裁減利用。
木嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術以及各個行業的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統。嵌入式系統必須根據應用需求可對軟硬件進行參見，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發出適應各種需要的系統，是一個比較好的發展模式。
同時還應該看到，嵌入式系統本身還是一個外延極廣的名詞。凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統都可以叫做嵌入式系統，而且有時很難給它下一個準確的定義。上面介紹的兩種定義是目前國內外比較通用的說法，隨著嵌入式系統學科研究的進步，以后也可能會發展出更準確更全面的定義。
1.3.2嵌入式處理器
從硬件方面來講，各式各樣的嵌入式處理器是嵌入式系統硬件中的最核心的部分.目前，世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU、MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體制造商都開始大規模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA，品種越來越多，性能越來越強，價格越來越低。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到數GB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝從幾個引腳到幾百個引腳不等。
從分類上來講，嵌入式處理器可以分成下面幾類：
1、嵌入式微處理器(Microprocessor Unit，MPU)
嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也比較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路板上，成為單板計算機。如STD—BUS、PCI04等。近年來，德國、日本的一些公司又開發出類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產品。嵌入式微處理器主要有Aml86/88、386EX、SC--400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/S仃ongARM系列等。其中ARM/StrongARM是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位，現在應用非常廣泛。圖1.1就是Intel公司基于StrongARM結構的嵌入式微處理器SA--1100。
2、嵌入式微控制器(Mieroeontroller Unit，MCU)
嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核威核心，芯片內部集成ROM/EEPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時，計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。
和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。
嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列有8051、P51XA、MCS一25l、MCS--96/196，296、C166/167、MC68HC05/ll/12/16、68300、數目眾多的ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。
圖1.2所示LPC213x，是Phitips公司2005年推出的基于ARM7TDMI--S結構的32位嵌入式微處理器系列。
3、嵌入式DSP處理器(DigitaI Signal Processor，DSP)
DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、頻譜分析等方面dSP算法正在大量進入嵌入式領域。
DSP的理論算法在20世紀70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分離元件事先。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算的速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用.至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到了成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。目前最為廣泛應用的DSP是11的TMS320C20001C5000系列，另外如Intel的MCS--296和Siemens的TfiCore也有各自的應用范圍。圖l-3是1rI公司的16位DSP芯片1MS320C54x系列
4、嵌入式片上系統(System On Chip)
隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現一個更為復雜的系統的時代己經來臨，這就是System On chip(SOC)。各種通用處理器內核作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的VHDL、VerilogHDL等語言描述，存儲在中間件庫中。用戶只需定義出整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠佳、提高設計生產效率非常有利。
由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore、Motorola的M--Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。
5、片上可編程系統(System On Programmable Chip，SOPC)
隨著微電子技術的發展，促使集成電路向高速、高集成度、低功耗的系統集成方向發展，SOPC是現代電子技術和電子系統設計的匯聚點和發展方向。
它將傳統的EDA技術、計算機系統、嵌入式系統、數字信號處理技術、數字通信系統以及自動控制系統等技術融為一體，在結構上凝為一片。SOPC綜合了SOC和PLD、FPGA各自的優點，集成了硬核或軟核CPU、DSP、存儲器、外圍FO器件及可編程邏輯，用戶可以利用SOPC平臺自行設計高速、高性能的DSP處理器或特定功能的CPU處理器，從而使電子系統設計進入一個全新的模式。
目前在SOPC領域，美國ALTERA公司一直處于前沿和領先位置，其Nios嵌入式處理器已經成為軟核式SOPC的標準。圖1.4是ALTERA公司2006年3月最新推出的FPGA芯片SWafixⅡGX，支持NiosⅡ軟核處理器，具有20個低功耗同類最佳嵌入式收發器，工作速率高達6.375 Gbps。
1.3.3嵌入式操作系統
在一個嵌入式系統中，如果這個系統比較復雜，需要管理的任務、資源比較多，這時就顯現出了引入嵌入式操作系統的必要性。嵌入式操作系統可以用來對內存，任務和對周邊的資源進行有效的管理和統一的控制。本節講述了一些嵌入式操作系統的概念。
一、前/后臺系統m。
對于不復雜的小型嵌入式系統，這種系統可稱為前/后臺系統(foreground/background)或超循環系統(super-loops)。應用程序是一個無限的循環，循環中調用相應的函數完成相應的操作，這部分可以看成后臺行為(background)。中斷服務程序處理異步事件，這部分可以看成前臺行為(foreground)。后臺也可以叫做任務級，前臺也叫做中斷級.時間相關性很強的關鍵操作(critical operation)一定是靠中斷服務來保證的。因為中斷服務提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個信息時，才能得到處理。這種系統在處理信息的及時性上，實際體現出來的性能比需求要低一些。處理信息的及時性，稱作任務級響應時間。
最壞情況下的任務級響應時間取決于整個循環的執行時間。因為循環的執行時間不是常數，程序經過某一特定部分的準確時間也是不能確定的。進而，如果程序修改了，循環的時序也會受到影響。
前/后臺系統在嵌入式系統技術出現的早期，以及許多比較簡單，或者對于代碼空間要求非常嚴格的嵌入式系統中有廣泛的應用。同時也具備了一個現代操作系統的初步結構，比如任務的調度，資源的分配，但是前/后臺系統并不是嚴格意義上的嵌入式操作系統。前/后臺系統的缺點不容忽視：多任務處理能力差;在現在越來越復雜，可供調配的資源越來越多的嵌入式系統中無法充分發揮系統性能。’
二、嵌入式實時操作系統。
由于前，后臺系統的種種弊端，從80年代早期開始，嵌入式系統的程序員開始用商業級的“操作系統”編寫嵌入式應用軟件，這使得開發人員可以進一步縮短開發周期，降低開發成本并提高開發效率。1981年，Ready System開發出世界上第一個商業嵌入式實時內核(V1Rx32)。這個實對內核包含了許多傳統操作系統的特征，包括任務管理、人物件通信、同步與互斥、中斷支持、內存管理等功能。90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規模不斷上升，實時內核逐漸發展為多任務實時操作系統(RrOS).實時操作系統(Real--Time Operating System)是嵌入式操作系統目前最主要的組成部分。根據操作系統的工作特性，實時是指物理進程的真實時間。實時操作系統具有實時性，能從硬件方面支持實時控制系統工作的操作系統。其中實時性是第一要求，需要調度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼于提高嵌入式系統的使用效率。實時操作系統的重要特點是通過任務調度來來滿足對于重要事件在規定的時間內做出正確的響應。
Stankovic在1988年給出了實時系統的定義，“實時系統是這樣一種系統，即系統執行的正確性不僅取決于計算的邏輯結果，而且還取決于結果的產生時間。”
實時系統又可以分為“硬實時系統”和“軟實時系統”。硬實時和軟實時的區別就是在于對外界的事件作出反應的時間。硬實時系統必須是對及時的事件作出反應，絕對不能錯過時間處理的時限。硬實時系統中如果出現了這樣的情況就意味著巨大的損失和災難。比如說航天飛機的控制系統，如果出現故障，其后果不堪想象。
軟實時系統是指，如果在系統負荷較重的時候，允許發生錯過時限的情況而且不會造成太大的危害.比如液晶屏刷新允許有短暫的延遲。
硬實時系統和軟實時系統實現的區別主要是在選擇調度算法上。對于軟實時系統，選擇基于優先級調度的算法足以滿足軟實時系統的需求，而且可以提供高速的響應和大的系統吞吐量;而對硬實時系統來說，需要使用的算法就應該是調度方式簡單，反應速度快的實時調度算法。個商業的RTOS必須具有以下兩個評價指標：中斷響應時間，指從中斷發生到相應的IS臌中斷服務程序)運行的時間間隔。中斷響應時間與應用程序相匹配，而且是可預測的。如果同一時間有多個中斷發生，則中斷響應時間的數量級要增加。臨界情況執行時間(Worst-Case Execution Time，’WCET)表示每個系統任務調用的時間，它是可預測的，而且系統的每個任務都有獨立的數據。
三、嵌入式分時操作系統。
與實時操作系統相對應的，有分時操作系統。分時操作系統按照相等的時間片調度進程輪流運行。分時操作系統由調度程序自動計算進程的優先級，而不是由用戶控制進程的優先級。在分時操作系統中，軟件的執行在時間上的要求并不嚴格，時間上的錯誤，一般不會造成災難性的后果。分時系統的強項在于多任務的管理。例如uCLinux作為從傳統UNIX系統結構發展出來的嵌入式操作系統，其任務調度的思想就是基于分時操作系統的，實時性較差。
從上述分類可以看出，目前嵌入式操作系統主要有兩大類：嵌入式實時操作系統和嵌入式分時操作系統。其中實時系統又分為兩類：硬實時系統和軟實時系統.
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