機(jī)電一體化控制系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 寧 馬 凱

（鹽城生物工程學(xué)校，江蘇 鹽城224000）

0 引言

機(jī)電一體化是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)等于一體的先進(jìn)技術(shù)。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)面向市場(chǎng)，能夠滿足不同產(chǎn)品的需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開放性的設(shè)計(jì)。在過(guò)去，一些應(yīng)用軟件還缺乏一定的可持續(xù)發(fā)展能力，這些軟件的適用范圍比較小，擴(kuò)展起來(lái)十分困難。每個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)都是不一致的，使得這些比較傳統(tǒng)的軟件很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的相互融合，不能發(fā)揮出系統(tǒng)應(yīng)有的作用。本研究即是要探討一種新型的控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開放性的設(shè)計(jì)，使機(jī)電一體化系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展功能和實(shí)用意義。

1 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析

1.1 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)具有2個(gè)特點(diǎn)：一是系統(tǒng)的科學(xué)性，另一個(gè)是自動(dòng)性。科學(xué)性對(duì)于任何一個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)都是非常重要的，科學(xué)技術(shù)都是決定產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素，只有依靠科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)行業(yè)的預(yù)期目標(biāo)。機(jī)械和電氣中的科學(xué)技術(shù)的有效整合，將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，這樣才能形成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，使得資源能夠得到有效利用，還能夠加快產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。自動(dòng)性可實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化控制，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能。自動(dòng)化控制可以有效擺脫手工控制的難度，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的操作，使機(jī)電設(shè)備處于一個(gè)自動(dòng)操作的狀態(tài)。這樣不僅可以減少勞動(dòng)力的消耗，還能夠提高生產(chǎn)效率。

1.2 開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 開放式體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

開放式系統(tǒng)有2個(gè)特性：一是可移植性，另一個(gè)是可操作性。可移植性是指在系統(tǒng)應(yīng)用軟件運(yùn)行時(shí)不會(huì)受到其他系統(tǒng)的影響，換句話說(shuō)，應(yīng)用軟件可以順利地在各種操作系統(tǒng)的環(huán)境中正常運(yùn)行。可操作性是針對(duì)集成環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的相互利用和相互連通，從而能有效實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的協(xié)同工作。開放性體系結(jié)構(gòu)不受任何專業(yè)供應(yīng)商的限制，當(dāng)然也不用考慮版權(quán)成本問(wèn)題。

1.2.2 開放式體系結(jié)構(gòu)的意義

開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能滿足客戶的不同需求，針對(duì)不同的產(chǎn)品制定出不同的生產(chǎn)方案。開放式體系結(jié)構(gòu)能夠滿足客戶對(duì)于軟件不同層次的需求。此外，從實(shí)用的角度進(jìn)行分析，開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以將各種各樣的應(yīng)用集成在一起，能夠極大地降低用戶訪問(wèn)時(shí)間和訪問(wèn)的成本。這種系統(tǒng)的功能更強(qiáng)大，還具有相對(duì)較低的價(jià)格。開放式體系結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展能夠反映出我國(guó)制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展水平，而且能大大縮短我國(guó)制造業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家水平之間的差距。

2 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)開放體系中不同層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)層的開放設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)層設(shè)計(jì)的開放化

我們可以根據(jù)控制系統(tǒng)軟件層加載方式的不同分為2類：一類是系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，另一類是硬件系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)之間存在很大的聯(lián)系。這是根據(jù)不同的產(chǎn)品和不同的組合，把系統(tǒng)軟件固化在系統(tǒng)硬件的ROM中，因此在軟件執(zhí)行模式的基礎(chǔ)上，還可根據(jù)軟件系統(tǒng)的操作形式，將軟件操作系統(tǒng)在RAM中運(yùn)行，或者直接在ROM中操作。由于個(gè)人電腦的快速發(fā)展，PC技術(shù)逐漸被引入到PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行操作，這樣能夠大大提高系統(tǒng)的控制效率。

2.1.2 系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層的開放設(shè)計(jì)

通用系統(tǒng)是進(jìn)行開發(fā)工作的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，我們可以對(duì)常見(jiàn)軟件系統(tǒng)的接口進(jìn)行開放性的設(shè)計(jì)。這樣就可使接口的兼容性變大，有效避免重復(fù)編程，減少勞動(dòng)力的消耗，還能大大提高系統(tǒng)的控制效率。在通用操作系統(tǒng)中的一些數(shù)據(jù)都是對(duì)外開放的，所以，我們需要對(duì)操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行深入的了解，還要對(duì)相關(guān)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的調(diào)整，開發(fā)出更好的應(yīng)用軟件，滿足不同控制系統(tǒng)的需要。由于機(jī)電一體化是一個(gè)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，需要根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行有效的控制，因一般的操作系統(tǒng)不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求，所以，對(duì)系統(tǒng)層和軟件層之間的開放設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分重要的工作。

2.1.3 接口和系統(tǒng)層之間的開放設(shè)計(jì)

對(duì)于控制系統(tǒng)的接口和系統(tǒng)層之間的開口設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵的步驟。系統(tǒng)軟件層和控制層能夠?qū)崿F(xiàn)有效的連接，相關(guān)的軟件開發(fā)和應(yīng)用層需要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效控制。所以，對(duì)于系統(tǒng)和控制界面層之間的硬件，需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線接口實(shí)現(xiàn)有效的接觸，這樣才能保障控制系統(tǒng)具有控制功能。間接接口控制裝置需要和應(yīng)用軟件層實(shí)現(xiàn)連接，系統(tǒng)總線是指一組信號(hào)線，需要采用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)來(lái)進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣能夠有效地解決控制接口層和系統(tǒng)層間存在的連接問(wèn)題，使信號(hào)能夠高效地傳送。信號(hào)傳送的一個(gè)重要目的就是要實(shí)現(xiàn)總線系統(tǒng)和設(shè)備之間的有效連接。

2.2 應(yīng)用軟件層的開放化設(shè)計(jì)

應(yīng)用軟件層可以為操作人員提供良好的人機(jī)界面，可以將一些無(wú)關(guān)聯(lián)的設(shè)備聯(lián)系到一起，還可以提供資源管理程序的操作系統(tǒng)接口。對(duì)應(yīng)用軟件進(jìn)行開放性的設(shè)計(jì)，這樣可以進(jìn)行開放性的控制。首先應(yīng)基于開放式應(yīng)用軟件層，根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，基于數(shù)據(jù)流的模塊化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)的功能能夠有效實(shí)現(xiàn)。然后，對(duì)應(yīng)用層模塊進(jìn)行有效劃分，將應(yīng)用軟件層的開放式人機(jī)界面和開放系統(tǒng)核心接口根據(jù)其需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行開放性的設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件的核心就是要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，所以，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其核心部分就是使應(yīng)用軟件完成實(shí)時(shí)控制和有效調(diào)度。最后，對(duì)于開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，所有的人機(jī)接口都應(yīng)進(jìn)行模塊化控制，確保系統(tǒng)界面擁有一個(gè)統(tǒng)一的風(fēng)格，加強(qiáng)操作人員的操作培訓(xùn)，使其操作技能不斷的提高。

2.3 接口控制層的設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的步驟是要實(shí)現(xiàn)接口控制層的開放化設(shè)計(jì)。接口控制層的控制任務(wù)比較復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制，除了硬件和系統(tǒng)層需要進(jìn)行有效的連接外，還要和標(biāo)準(zhǔn)電氣端口及外部設(shè)備進(jìn)行連接。系統(tǒng)的硬件和界面層之間需要進(jìn)行靈活的調(diào)整，以使界面層能夠靈活運(yùn)用。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，可以通過(guò)2種方法實(shí)現(xiàn)：一是直接法，另外一種是間接法。直接法就是將接口模板的端口號(hào)和地址范圍進(jìn)行劃分，然后通過(guò)跳線的方式，對(duì)控制開關(guān)和目標(biāo)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。間接法是通過(guò)雙口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)，使接口模塊能夠及時(shí)處理各種復(fù)雜的情況，這樣就能夠滿足不同產(chǎn)品的需求，對(duì)接口進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，能夠提高控制系統(tǒng)的工作效率。

3 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)，借助自動(dòng)化控制平臺(tái)，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。同時(shí)通過(guò)將控制信息指令統(tǒng)一進(jìn)行發(fā)送，使機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備及時(shí)滿足系統(tǒng)的需求。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)還會(huì)朝著人機(jī)智能化和數(shù)字一體化方向發(fā)展，有效提高機(jī)械的智能化控制程度，減少一些誤操作，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式存在的不足。數(shù)字一體化是機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的一個(gè)有效的延伸，高科技數(shù)字化系統(tǒng)是控制系統(tǒng)有效的支撐，對(duì)機(jī)電設(shè)備的功能指令進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)度，能夠及時(shí)解決生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。微機(jī)數(shù)字控制集成平臺(tái)的合理應(yīng)用，還可以使用數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，對(duì)一些異常信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和維修，有效提高控制系統(tǒng)的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我們可以對(duì)開放體系中不同層次的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)，滿足各種產(chǎn)品的需求，有效提高機(jī)電系統(tǒng)的智能化控制水平和數(shù)字一體化的控制水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的全方位控制，促進(jìn)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的快速發(fā)展。

［1］朱鳳花.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)開放體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.電子制作，2014（2）

［2］徐侃烈.機(jī)電一體化系統(tǒng)集成的研究與研制［D］.上海大學(xué)，2009

［3］余仕彪.機(jī)電一體化精確定位裝置及其控制系統(tǒng)的研究［D］.上海海洋大學(xué)，2013

［4］簡(jiǎn)輝華.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2013（11）