嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的研究和应用

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（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

摘 要：随着我国现代化科学技术的进步，学科间的渗透和交叉日益增多。尤其在工程领域，计算机技术、微电子技术、光电技术和机械工业技术的融合形成了光机电一体化技术，使机械工业得到了巨大的发展。而将嵌入式控制技术引入光机电一体化设备中，将更能促进光机电一体化技术的快速发展。本文主要对嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用进行了探讨和研究。

关键词：嵌入式;光机电一体化;工业控制;分布控制

1 前言

机电一体化是计算机技术、微电子技术、光电技术和机械工业技术融合成的一种新兴的综合技术，光机电一体化技术不仅极大推动了社会、经济的发展，还改变了人们对工业控制技术的传统观念。现代化的光机电一体化技术正在朝着微型化、网络化、智能化方向发展，因此，在光机电一体化设备中引入嵌入式技术正迎合了这种需求。将嵌入式控制技术引入光机电一体化设备中，将更能促进光机电一体化技术的快速发展，这是满足机械对象网络化、智能化和复杂化控制要求的需求，机器人技术、办公自动化、智能玩具和数控机床都是嵌入式光机电一体化技术的代表。本文主要对嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用进行了探讨和研究。

2 传统光机电一体化技术融入嵌入式技术的必要性

传统的光机电一体化技术主要以机械工业技术和电子技术的结合为主要特征，随着经济的发展和人们对自动化控制技术要求的提高，这种技术已经无法适应现代工业对设备可靠性和性能的要求：

（1）设备结构的复杂和控制精密性逐渐提高。计算机技术、网络技术的发展以及产品性能要求的提高，光机电一体化设备的输入输出通道快速增加，使得设备结构更加复杂，进而带来很多不可测的干扰因素，因此要求控制系统进一步提高其抗干扰能力。另外，传统机电一体化设备的实时性要求较高，在一定程度上降低了产品的精密型，而现代机电设备则要求时间和空间上控制系统都能做到精确、快速的控制。这些方面只有依靠嵌入式技术才能找到很好的解决方案;（2）机电一体化设备对网络化的需求不断上升。现代化的控制设备要求控制系统具有网络化特点，即能够通过远程控制、状态报告等对控制系统进行远程监控，这样能够显著提高系统控制的实时性、安全性、智能性和便利性要求，而这一需求是无法通过传统的机电一体化系统实现的;（3）市场的竞争要求降低产品的开发周期，因此对光机电一体化设备提出了新要求。传统的光机电一体化系统中，产品的设计开发周期能够满足当时社会的需求，但是，随着经济的发展和技术的进步，现代化市场的竞争需求要求光机电一体化系统不断改进产品设计和研发方式，以适应现代化产品的要求。另外，机械系统的寿命要比软、硬件系统长，而后期维护工作都是由软件升级完成的。这就需要系统在设计初期就对系统的软件可维护性和可移植性进行考虑。

为了解决上述问题，人们将嵌入式技术融入到机电一体化技术中。具体来说，就是将嵌入式数据的设计和开发理念、相关技术和基础理论融入到机电一体化系统的设计和开发过程中，建立一个以微处理器为核心的具有高可靠性、高性能的嵌入式控制系统，这样不仅满足了被控对象的复杂性控制要求，还具有网络化、智能化的控制特点。

3 嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用

和其它领域相比，机电一体化设备是嵌入式技术应用最广泛、最典型的领域，在未来的光机电一体化设备发展中具有巨大的发展前景和应用市场。

3.1 工业化机器人技术

工业化机器人的发展从一开始就和嵌入式技术密不可分。机器人技术其实是上世纪50年代提出来的一种数控技术。由于当时的控制方法比较落后，没有达到要求的芯片水平，只是一种简单的逻辑电路系统。之后很长一段时间内，由于智能控制理论和处理器技术的限制，机器人技术没有得到足够的发展。从上世纪70年代开始，智能理论的发展促进了机器人技术的研究。而最近几年来嵌入式技术的高度发展，使得以光机电一体化设备为基础的机器人技术得到前所未有的发展趋势。其中，火星探测车就是一个非常典型的例子。火星探测车价值近10亿美元，是一种高新技术密集型的先进机器人系统，能够不依靠地球的控制进行自主工作。这种机器人由于加入了嵌入式系统，可靠性较高，对完成地面的工作要求起到了非常重要的作用。

3.2 工业控制设备技术

工业控制设备是嵌入式技术应用最为广泛的一类。现在的工业控制设备中，工控机的应用最为广泛，这些工控机通常使用工业级处理器和处理设备，工控要求较高，除了需要对设备进行实时控制以外，还要将设备的状态信息显示到显示器上，这些都对工控机的硬件和软件提出了更高的要求。传统的PCI04总线系统稳定性较强，体积小，因此得到了广泛的推广，但是由于这些系统大多使用Windows系统，因此不属于纯粹的嵌入式系统。另外，工控机和设备控制器是嵌入式处理器应用最为广泛的领域，这些控制处理器占据控制器的核心位置，为控制器提供了丰富的总线接口，因而能够实现数据收集、数据处理、数据通信和数据显示的功能。

3.3 分布式控制技术

分布式控制技术是嵌入式系统应用最早，范围最为广泛的领域之一。目前，世界上已经有数十家公司涉及到分布式控制领域。在工业领域普遍使用分布式控制技术的主要原因包括如下几个方面：

（1）被控对象的种类较多，数量较大，且分布范围较广，因此需要分布式的控制技术;（2）除了生产过程控制外，还希望在管理方面实现控制的自动化。

由于嵌入式系统的小型化、专用化和嵌入式特点，使其非常适合分布式系统的应用，随着近年来分布式系统的发展，嵌入式技术在光机电一体化设备中的应用也越来越广。

4 结论

本文首先对嵌入式技术在光机电一体化技术中的相关应用和理论知识进行了分析，并对嵌入式技术在光机电一体化技术中的应用现状进行了介绍。可以预见，嵌入式技术与光机电一体化技术的融合是未来工业自动化控制领域的发展方向，因此，需要加强嵌入式技术与光机电技术的研究，为光机电一体化系统的发展和完善奠定良好的理论基础和实践基础。

参考文献：

[1]张昭瑜.嵌入式操作系统在机电一体化设备控制过程中的应用[D].四川大学，2005.

[2]马洪斌.机电一体化技术在高精度称重系统中的应用研究[D].四川大学，2005.

[3]Stuart R. Ball. P.E.等著，苏建平，飞，刘谦等译.嵌入式微处理器系统设计实例[M].电子工业出版社，2004.