光机电一体化设备的嵌入式控制技术应用研究.doc

光机电一体化设备的嵌入式控制技术应用研究 随着现代科学技术的不断迸步不同学科问的交叉与渗透日益增多且不断发展在工程领域由于微电子技术和计算机技术的迅猛发展及其向机械工业技术的不断渗透形成了所谓的机电一体化技术 从而使机械工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化在机电一体化技术领域中引入嵌入式系统技术将更加促进机电一体化技术的发展机电一体化设备的嵌入式控制技术是嵌入式系统技术与机电一体化技术的结合即将嵌入式系统技术应用于机电一体化中.具体的说就是把嵌入式系统开发和设计的相关理论、技术引入到机电一体化系统的开发和设计中建立以嵌入式微处理器(或微控制器)为核心以高性能、高可靠性的硬件和软件为保障的机电一体化设备嵌入式控制系统在满足被控机械对象的复杂控制要求的同时满足现代工业对于设备智能化、网络化的需求.本文研究了机电一体化嵌入式控制技术的相关设计方法和应用在此基础上研制了针对光机电一体化设备的新型电控系统并将该电控系统应用到数码印刷一体机中 在内容安排上本文首先介绍了机电一体化技术及其发展状况阐述嵌入式系统技术及其相关的知识描述了且前嵌入式系统在机电一体化设备中的一些应用随后本文对机电一体化设备嵌入式控制系统的结构进行了分析给出了机电一体化嵌入式控制系统的分层整体框架;分析了机电一体化嵌入式控制系统的设计的一些特点;重点研究了一种基于分层和模块化的机电一体化嵌入式控制系统设计方法并对其中的基于可重用的软件模块设计方法的设计思想和设计流程作了详细分析 然后在上面介绍的机电一体化嵌入式控制系统整体框架基础上对机电一体化设备的特点和需求进行了详细分析应用以ARM+DSP为处理核心的硬件模块设计方法和基于可重用的软件模块设计方法设计了一种针对光机电一体化设备的新型智能电控系统 本文最后介绍将新型智能电控系统应用于实际设备上的详细过程首先分析了一种现代办公设备：数码印刷一体机的技术特点以及目前国内外在这方面的技术进展：然后对数码印刷一体机进行硬件和软件的需求分析;详细介绍了将新型智能电控系统应用在数码印刷一体机上的实现过程;最后总结了新型电控系统设计和应用中的关键技术：抗干扰技术 由于新型电控系统在设计之初就采取模块化的设计所以在应用过程中只需要对模块进行增减非常方便应用了新型电控系统的数码印刷一体机工作稳定可靠性能先进现已大批量投入实用 关键词：机电一体化嵌入式控制技术ARM设计方法数码印刷一体机抗干扰技术 1、绪论 1.1引言 机电一体化(Mecha垃onics)技术是微电子技术向传统机械工程渗透而形成的融合机械工程、电气工程、计算机科学、信息技术等为一体的新兴综合技术 以机电一体化技术为代表的现代制造技术极大地推动了经济、社会的发展进步改变了人们的传统观念二十一世纪的机电一体化技术日益向小型化、智能化、网络化方向发展而这正是嵌入式系统技术的优势所在.嵌入式系统(EmbeddedSystem)技术最早出现于二十世纪七八十年代起初是为了将通用计算机引入到某些特定的对象系统中如船舶自动驾驶、工业生产检测系统等后来由于半导体技术、电子技术和计算机技术等相关领域的进步嵌入式系统技术获得蓬勃发展在工业控制、网络通信、消费类电子、信息家电等领域获得广泛应用现已被认为是二十一世纪最有生命力的新技术之一嵌入式系统虽然发端于通用计算机系统但实际上现在各种各样的嵌入式系统数量已远远超过通用计算机系统据统计全球每年生产的CPU的数量大概在二十亿颗左右其中大部分是为各种专用性很强的嵌入式系统设计和制造的 机电一体化嵌入式控制技术即是机电一体化技术与嵌入式系统技术的结合是将嵌入式系统技术应用于机电一体化设备的控制当中具体的说就是把嵌入式系统开发和设计的相关理论、技术引入到机电一体化系统的开发和设计中建立以嵌入式微处理器(或微控制器)为核心以高性能、高可靠性的硬件和软件为保障的嵌入式系统在满足被控机械对象的复杂控制要求的同时满足现代工业对于设备智能化、网络化的需求.其实在社会生活和生产的各个领域数控机床、工业机器人、自动化办公设备、智能玩具等使用嵌入式系统技术的先进设备正在迅速改变传统的工业生产和社会生活方式而上述设各都可以看作是机电一体化技术和嵌入式系统技术相结合的产物 1.2机电一体化技术及其发展概况 1.2.1机电一体化 机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称机电一体化是现代工程技术的前沿它是一个多门基础应用学科共同产生的新的工程技术学科它的技术基础是现代的机械制造技术和电子控制技术以及迅猛发展的电脑软件技术它的应用所生产的产品已经广泛出现在全世界d,N体内微血管手术机器人大到航天飞机空间站它已经从机械工程的附属学科独立成为了前沿科学它代表了个国家科学技术的整体发展水平的一个方面“机电一体化的基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发综合运用机械技术(包含气动和液压技术)、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术根据系统功能目标和优化组织目标合理配置与布局各功能单元在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值并使整个系统最优化的系统工程技术 因此“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面.只不过机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别机械工程技术由纯技术发展到机械电气化仍属传统机械其主要功能依然是代替和放大的体力但是发展到机电一体化后其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外还能赋予许多新的功能如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸还是人的感官与头脑的延伸具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别 1.2.2机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体可以分为3个阶段20世纪60年代以前为第一阶段这一阶段称为初级阶段在这一时期人们自觉或不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能.特别是在第二次世界大战期间战争刺激了机械产品与电子技术的结合这些机电结合的技术战后转为民用对战后经济的恢复起了积极的作用那时研制和开发从总体上看还处于自发状态 由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展已经开发的产品也无法大量推广 20世纪70年代90年代为第二阶段可称为蓬勃发展阶段这一时期计算机技术、控制技术、通信技术的发展为机电一体化的发展奠定了技术基础大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展为机电一体化的发展提供了充分的物质基础这个时期的特点是：(甄nechatronics一词首先在日本被普遍接受大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认;机电一体化技术和产品得到了极大发展;各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持. 20世纪90年代后期开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段机电一体化进入深入发展时期一方面光学、通信技术等进入了机电一体化微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支;另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究同时由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地这些研究将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系.我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列入“863计划”中在制定“九五”规划和年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作取得了一定成果但与日本等先进国家相比仍有相当差距 1.3嵌入式系统及其技术研究现状 自从上世纪七十年代最初的基于单片机的嵌入式系统产生以来经过30多年的发展嵌入式系统已经深入到当今世界的每个角落人们现在已经习惯了依赖个人电脑如果没有了电脑大概会让人觉得无所适从可要是世界上没有了嵌入式系统这个世界马上会陷入一片混乱试想一下世界上所有含有嵌入式系统的设备都停止工作会样子?在家里我们会发现电视机、DVD不能播放;冰箱温度混乱食物很快坏掉;微波炉不能工作连洗衣机都开始罢工l在街上汽车无法发动我们只有步行可是红绿灯完全失效整个城市的交通迅速瘫痪f天上的飞机没有导航设备还能飞行?所以虽然我们看不见嵌入式系统但是嵌入式系统确实无处不在那么究竟什么是嵌入式系统? 1.3.1嵌入式系统的定义 由于嵌入式系统无处不在不同的嵌入式系统针对目标不一样导致嵌入式系统的专用性非常强比如微波炉中的嵌入式系统和火星车上的嵌入式系统两者除了都包含一个嵌入式微处理器之外几乎没有任何相同点嵌入式系统强烈的多样性和专用性导致很难给嵌入式系统下个全面并且准确的定义通常我们只是从某一个方面对嵌入式系统下一个定义从另外一个方面来看有需要下不同的定义下面介绍两种比较通用的定义 嵌入式系统是控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置嵌入式系统是：以应用为中心、以计算机技术为基础软件硬件可裁减适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 前一种定义是IEEE对嵌入式系统的定义主要是从应用的角度对嵌入式系统作了一个比较笼统的总结按照这种定义嵌入式系统包括了软件和硬件甚至连机械部件等附属装置也属于嵌入式系统的一部分 第二种定义是国内目前普遍被认同的定义主要从技术的角度出发限定了嵌入式系统的内涵可以从以下几个方面来理解国内对嵌入式系统的定义： 木嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势.可以这样裂解上述三个方面的含义即嵌入式系统是与应用紧密结合的他具有很强的专用性必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用 木嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统嵌入式系统必须根据应用需求可对软硬件进行参见满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求所以如果能建立相对通用的软硬件基础然后在其上开发出适应各种需要的系统是一个比较好的发展模式 同时还应该看到嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统而且有时很难给它下一个准确的定义上面介绍的两种定义是目前国内外比较通用的说法随着嵌入式系统学科研究的进步以后也可能会发展出更准确更全面的定义 1.3.2嵌入式处理器 从硬件方面来讲各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分.目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已