嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制中的應(yīng)用

本文介紹了嵌入式系統(tǒng)及其特點(diǎn)，討論了嵌入式微處理器、軟硬件開發(fā)平臺(tái)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇。以Stewart平臺(tái)伺服控制器為例介紹了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法，通過對(duì)典型信號(hào)的跟蹤結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。


引言

美國著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時(shí)預(yù)言，4～5年后嵌入式智能(電腦)工具將是PC和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明。事實(shí)正如尼葛洛龐帝先生所預(yù)料的那樣，嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，國際上大牌公司如Intel、Microsoft(微軟)等紛紛投入巨資，分別推出了具有技術(shù)優(yōu)勢的基于Xsale框架結(jié)構(gòu)的嵌入式硬件平臺(tái)和Windows CE 4.0軟件平臺(tái)，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力。今天，嵌入式系統(tǒng)已滲透到日常生活的方方面面，帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而機(jī)電控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，采用嵌入式的機(jī)器人、SONY 機(jī)器狗及1997年美國發(fā)射的“索納杰”火星車就是經(jīng)典的實(shí)例。就嵌入式系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)，開發(fā)所采用的主流軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)作詳細(xì)的介紹，并通過Stewart平臺(tái)專用伺服控制器的設(shè)計(jì)，介紹了嵌入式技術(shù)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及具體實(shí)現(xiàn)。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有微內(nèi)核、系統(tǒng)精簡、高實(shí)時(shí)性、專用性強(qiáng)等特點(diǎn),因此非常適合應(yīng)用于機(jī)電控制系統(tǒng)。有別于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器/微控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出(I/O)和軟件組成,這里的軟件是指基于RTOS開發(fā)的且和RTOS密切結(jié)合的應(yīng)用軟件。這種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件緊密結(jié)合為一體正是嵌入式系統(tǒng)和基于Windows應(yīng)用系統(tǒng)的主要差別所在,也是其可靠性和實(shí)時(shí)性的重要保證。

2 嵌入式微處理器

目前有許多款嵌入式微處理器，如Intel公司的StrongARM、Xscale，ATMEL的AT91系列，IBM的PowerPC，Motorola的68K，三星的S3C4x系列等，其中基于英國ARM公司的ARM內(nèi)核的嵌入式微處理器是目前的主流。ARM是典型的32位RISC芯片——不論是在PDA、STB、DVD等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，還是在機(jī)電、GPS、航空、勘探、測量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，如Intel、NS、Ateml、Samsung、Philips、NEC、CirrusLogic等全球著名公司都有相應(yīng)的基于ARM處理器的產(chǎn)品。ARM處理器的主要特點(diǎn)是：小體積、低功耗、低成本、高性能、16/32位雙指令集、全球眾多的合作伙伴。事實(shí)上ARM已成為嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)，成為業(yè)界的龍頭。

文中采用ATMEL的AT91x40[2]，設(shè)計(jì)了用于Stewart平臺(tái)的伺服控制器。AT91系列微控制器是基于ARM7TDMI嵌入式微處理器的16/32位控制器，用高密度的16位指令實(shí)現(xiàn)了高效的32位RISC結(jié)構(gòu)，非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。ATMEL公司采用高密度CMOS技術(shù)，通過片上集成ARM7TDMI和大量的FLASH、片內(nèi)RAM以及各種外圍功能模塊使其成為強(qiáng)有力的微控制器，為許多需要加強(qiáng)運(yùn)算的嵌入式應(yīng)用提供了高度的靈活性和高性價(jià)比的解決方案。AT91x40的主要片上功能：