嵌入式系統在機電控制中的應用

本文介紹了嵌入式系統及其特點(diǎn)，討論了嵌入式微處理器、軟硬件開(kāi)發(fā)平臺及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的選擇。以Stewart平臺伺服控制器為例介紹了嵌入式系統在機電控制系統中的應用及實(shí)現方法，通過(guò)對典型信號的跟蹤結果表明系統設計是成功的。


引言

美國著(zhù)名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝1999年1月訪(fǎng)華時(shí)預言，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料的那樣，嵌入式系統及其應用已成為當前研究和應用的熱點(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框架結構的嵌入式硬件平臺和Windows CE 4.0軟件平臺，為嵌入式系統的發(fā)展注入了強大的活力。今天，嵌入式系統已滲透到日常生活的方方面面，帶來(lái)的工業(yè)年產(chǎn)值已超過(guò)1萬(wàn)億美元，在工業(yè)控制、消費電子等領(lǐng)域的應用范圍不斷擴大，而機電控制是嵌入式系統技術(shù)的一個(gè)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(chē)就是經(jīng)典的實(shí)例。就嵌入式系統的組成、特點(diǎn)，開(kāi)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(guò)Stewart平臺專(zhuān)用伺服控制器的設計，介紹了嵌入式技術(shù)在機電控制系統中的應用及具體實(shí)現。

1 嵌入式系統

嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。由于嵌入式系統具有微內核、系統精簡(jiǎn)、高實(shí)時(shí)性、專(zhuān)用性強等特點(diǎn),因此非常適合應用于機電控制系統。有別于傳統的控制系統,嵌入式系統由嵌入式微處理器/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(kāi)發(fā)的且和RTOS密切結合的應用軟件。這種操作系統和應用軟件緊密結合為一體正是嵌入式系統和基于Windows應用系統的主要差別所在,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(lèi)電子產(chǎn)品中，還是在機電、GPS、航空、勘探、測量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應用。越來(lái)越多的芯片廠(chǎng)商早已看好ARM的前景，如Intel、NS、Ateml、Samsung、Philips、NEC、CirrusLogic等全球著(zhù)名公司都有相應的基于A(yíng)RM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A(yíng)RM7TDMI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)現了高效的32位RISC結構，非常適合實(shí)時(shí)控制應用。ATMEL公司采用高密度CMOS技術(shù)，通過(guò)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?xún)r(jià)比的解決方案。AT91x40的主要片上功能：