基于嵌入式技术的机电设备控制装置的设计研究

　　摘要：为改进目前机电设备技术含量低且不能满足现代I业要求的问题。应用嵌入式技术进行设计。设计了一个集音频/视频信号识别/处理、存储器扩展、外部接口模块等为一体的嵌入式控制装置。使得机电设备的信息化、自动化和数字化改善效果显著，并为传统制造业的更新换代提供了参考价值。

　　关键词：装备设计 嵌入式技术 机电设备 现代工业 自动化

　　引言

　　本文从机电设备面临的技术问题和嵌入式技术入手，将嵌入式技术集成到机电设备中。总的来说，就是将嵌入式技术的理论和应用整合到机电设备控制装置的设计和开发中，以设计一个具有高可靠性和高性能的基于微处理器的控制装置。

　　一、研究背景

　　近几年，制造业公司在经济和技术等发面发展较为低迷。追根溯源，最重要的原因是机电设备智能化水平低下，技术更新不及时，以至于无法达到工程的标准，因而在激烈的市场竞争中无法形成自己独特的优势，常以失败告终。如果制造企业要改变现状，积极响应和拥护政府的政策支持和体制改革是必由之路[1]。即机电设备需要经过深入的技术更新换代升级，使其在市场中的竞争力得到加强，为企业的发展提供更多的机会，为行业注入更多的活力。因而，应用新型技术设计出更符合“中国制造2025”战略的新型设备才能够加快制造智能化前进的脚步。

　　二、嵌入式技术在装置系统设计当中的应用

　　本装置的系统中使用的RTOS主要有两种类型：免费的和商业的。免费的实时操作系统主要包括Linux和UC/OSII，而Linux又分为RT-Linux和uLinux。商业操作系统主要包括VXWork、WindowsCE4.0和PalmOS。这些类型的商业系统有不同的应用范围：CE4.0适用于消费类电子设备，Palm适用于PAD，而VX则适用于网络。在对VXWork、RT-LIMUX和UC/OSII三种平台的性能进行比较的基础上(包括硬件平台、任务切换和中断响应)，拟将UC/OSIIl视为为机电控制系统开发的实时操作系统。UC/OSII有以下显著特点：

　　(1)包含相应的源代码，这使得其能够为系统软件的迁移和二次开发提供有利条件(2)可移植性较高，其大部分源代码是由ANSIC编译(3)RTOS具有可固化的特点，其内核相对较小，可用于FLASHROM中的应用(4)使用条件编译来执行软件和硬件裁剪，从而使实时操作系统更加方便(5)抢占式实时操作系统是保证其满足实时应用要求的可靠保证(6)可同时处理多项任务(7)能够在应用过程中知道服务的功能和执行时间(8)可以同时执行中断管理。

　　嵌入式技术在工业控制设备中的应用越来越广泛，它可以提高处理器的性能，实现设备状态的实时监测和处理，确保应用效果[2]。特别是在目前64位处理器大幅度覆盖的情况下，不仅要能保证大量的接口总线资源以提升数据采集和汇总处理的效率，还要满足终端客户的需求，为他们提供相关领域的帮助支持，从而打造完美的产业设备平台。例如在机器人技术初期，就与嵌入式系统有着千丝万缕的关系[3]。最早的控制方法只是从“与非门”电路中汲取经验，并没有进行芯片的使用，后来人们才开始认可智能控制的学理。在上世纪70年代，智能控制的发展为嵌入式技术指明了前进的道路，提升了系统的可靠性和易操作性，并且直接创建了一个更完整的架构和操作程序。

　　嵌入式技术在机电一体化设备中的应用也体现在分布式控制系统中。由于测控对象多，对生产过程自动化要求高，为了解决这些问.题就采用了嵌入式技术，可以满足分布式控制系统对高效率的运行需求。以此加快集散控制系统的应用效率，实现技术系统的集成和升级。

　　三、基于嵌入式技术的控制装置的设计

　　(一)硬件框架的设计

　　主处理器为TI的32位定点高性能芯片642，该芯片包含各类硬件资源，例如视音频;并配备了各种接口，例如网络端口，PCI接口等。在视音频处理和信号分析方面，芯片主频率可以达到720Mhz，每秒可执行命令的数量多达560Mbps。其EMFA接口数据总线宽度为64位，最大频率为133Mhz。该装置主要由视音频信号处理模块、外部储存器模块和外部接口模块组成。图1较为详细地展现了本装置的结构组成。

　　1.视频处理模块的设计：为保证视频解码性能良好，采用了TI的解码芯片。TVP5150PBS可以識别的信号转换为YCBCR。其中，YCBCR为4：2：2，输出为“ITU-RBT.656”[4]。处理器支持BT.656视频数据流的输入，也可以完美地衔接到TVP150。

　　此模块选用了SAA7121H芯片，可对NTSC、PAL进行识别，支持BT.656进行输入。对于数字视频信号，则只能在经过DSP识别处理后才能进行显示，可选择CVBS或S-Video进行输出，并能完美衔接到中央处理器。

　　2.音频处理模块的设计：音频解码芯片采用TI的TLV320AIC23B，其性能十分出色，用以支持LINEQIN和MIC的输入。它的内部集中，构成一个有机整体，采用sigma-delta过采样技术，不仅降低了能量损耗，还提高了信噪比。

　　主处理器芯片的MC64接口可以应用于多通道音频处理，采用

　　TV510的27MHz时钟输出作为输入，使用可编程锁相环PL1708来确保同时采样和回放视频和音频，以此实现单独或同时执行多通道的数据接收和传输。

　　3.外部存储器模块的设计：主处理器芯片通过EMIF接口访问外部存储器。CE3CE0、8-bit启用线Be[7：0]、20-bit地址线A[22：03]、64-bit数据线D[63：00]这四位芯片选择器共同组成了EMIF，每个CEX有256Mb的可寻址内存，可用于适配各类的接口，如SDRAM、Flash、SRAM等。CE1还被用来将1Mx8位闪存扩展到数据缓冲空间。外部存储区的地址范围为0X900[J].000～0x9001FFFFF。

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文章名称： 基于嵌入式技术的机电设备控制装置的设计研究

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