嵌入式系統(tǒng)在機電控制中的應用

本文介紹了嵌入式系統(tǒng)及其特點，討論了嵌入式微處理器、軟硬件開發(fā)平臺及嵌入式實時操作系統(tǒng)的選擇。以Stewart平臺伺服控制器為例介紹了嵌入式系統(tǒng)在機電控制系統(tǒng)中的應用及實現(xiàn)方法，通過對典型信號的跟蹤結果表明系統(tǒng)設計是成功的。


引言

美國著名未來學家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能(電腦)工具將是PC和因特網之后最偉大的發(fā)明。事實正如尼葛洛龐帝先生所預料的那樣，嵌入式系統(tǒng)及其應用已成為當前研究和應用的熱點，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優(yōu)勢的基于Xsale框架結構的嵌入式硬件平臺和Windows CE 4.0軟件平臺，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展注入了強大的活力。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)年產值已超過1萬億美元，在工業(yè)控制、消費電子等領域的應用范圍不斷擴大，而機電控制是嵌入式系統(tǒng)技術的一個典型應用，采用嵌入式的機器人、SONY 機器狗及1997年美國發(fā)射的“索納杰”火星車就是經典的實例。就嵌入式系統(tǒng)的組成、特點，開發(fā)所采用的主流軟件平臺、硬件平臺作詳細的介紹，并通過Stewart平臺專用伺服控制器的設計，介紹了嵌入式技術在機電控制系統(tǒng)中的應用及具體實現(xiàn)。

1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有微內核、系統(tǒng)精簡、高實時性、專用性強等特點,因此非常適合應用于機電控制系統(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密切結合的應用軟件。這種操作系統(tǒng)和應用軟件緊密結合為一體正是嵌入式系統(tǒng)和基于Windows應用系統(tǒng)的主要差別所在,也是其可靠性和實時性的重要保證。

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等消費類電子產品中，還是在機電、GPS、航空、勘探、測量等軍方產品中都得到了廣泛的應用。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的基于ARM處理器的產品。ARM處理器的主要特點是：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。事實上ARM已成為嵌入式解決方案的RISC標準，成為業(yè)界的龍頭。

文中采用ATMEL的AT91x40[2]，設計了用于Stewart平臺的伺服控制器。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位指令實現(xiàn)了高效的32位RISC結構，非常適合實時控制應用。ATMEL公司采用高密度CMOS技術，通過片上集成ARM7TDMI和大量的FLASH、片內RAM以及各種外圍功能模塊使其成為強有力的微控制器，為許多需要加強運算的嵌入式應用提供了高度的靈活性和高性價比的解決方案。AT91x40的主要片上功能：