嵌入式控制技術在光機電一體化設備中的研究和應用

（景德鎮陶瓷學院，江西 景德鎮 333403）

摘 要：隨著我國現代化科學技術的進步，學科間的滲透和交叉日益增多。尤其在工程領域，計算機技術、微電子技術、光電技術和機械工業技術的融合形成了光機電一體化技術，使機械工業得到了巨大的發展。而將嵌入式控制技術引入光機電一體化設備中，將更能促進光機電一體化技術的快速發展。本文主要對嵌入式控制技術在光機電一體化設備中的應用進行了探討和研究。

關鍵詞：嵌入式;光機電一體化;工業控制;分布控制

1 前言

機電一體化是計算機技術、微電子技術、光電技術和機械工業技術融合成的一種新興的綜合技術，光機電一體化技術不僅極大推動了社會、經濟的發展，還改變了人們對工業控制技術的傳統觀念。現代化的光機電一體化技術正在朝著微型化、網絡化、智能化方向發展，因此，在光機電一體化設備中引入嵌入式技術正迎合了這種需求。將嵌入式控制技術引入光機電一體化設備中，將更能促進光機電一體化技術的快速發展，這是滿足機械對象網絡化、智能化和復雜化控制要求的需求，機器人技術、辦公自動化、智能玩具和數控機床都是嵌入式光機電一體化技術的代表。本文主要對嵌入式控制技術在光機電一體化設備中的應用進行了探討和研究。

2 傳統光機電一體化技術融入嵌入式技術的必要性

傳統的光機電一體化技術主要以機械工業技術和電子技術的結合為主要特征，隨著經濟的發展和人們對自動化控制技術要求的提高，這種技術已經無法適應現代工業對設備可靠性和性能的要求：

（1）設備結構的復雜和控制精密性逐漸提高。計算機技術、網絡技術的發展以及產品性能要求的提高，光機電一體化設備的輸入輸出通道快速增加，使得設備結構更加復雜，進而帶來很多不可測的干擾因素，因此要求控制系統進一步提高其抗干擾能力。另外，傳統機電一體化設備的實時性要求較高，在一定程度上降低了產品的精密型，而現代機電設備則要求時間和空間上控制系統都能做到精確、快速的控制。這些方面只有依靠嵌入式技術才能找到很好的解決方案;（2）機電一體化設備對網絡化的需求不斷上升。現代化的控制設備要求控制系統具有網絡化特點，即能夠通過遠程控制、狀態報告等對控制系統進行遠程監控，這樣能夠顯著提高系統控制的實時性、安全性、智能性和便利性要求，而這一需求是無法通過傳統的機電一體化系統實現的;（3）市場的競爭要求降低產品的開發周期，因此對光機電一體化設備提出了新要求。傳統的光機電一體化系統中，產品的設計開發周期能夠滿足當時社會的需求，但是，隨著經濟的發展和技術的進步，現代化市場的競爭需求要求光機電一體化系統不斷改進產品設計和研發方式，以適應現代化產品的要求。另外，機械系統的壽命要比軟、硬件系統長，而后期維護工作都是由軟件升級完成的。這就需要系統在設計初期就對系統的軟件可維護性和可移植性進行考慮。

為了解決上述問題，人們將嵌入式技術融入到機電一體化技術中。具體來說，就是將嵌入式數據的設計和開發理念、相關技術和基礎理論融入到機電一體化系統的設計和開發過程中，建立一個以微處理器為核心的具有高可靠性、高性能的嵌入式控制系統，這樣不僅滿足了被控對象的復雜性控制要求，還具有網絡化、智能化的控制特點。

3 嵌入式控制技術在光機電一體化設備中的應用

和其它領域相比，機電一體化設備是嵌入式技術應用最廣泛、最典型的領域，在未來的光機電一體化設備發展中具有巨大的發展前景和應用市場。

3.1 工業化機器人技術

工業化機器人的發展從一開始就和嵌入式技術密不可分。機器人技術其實是上世紀50年代提出來的一種數控技術。由于當時的控制方法比較落后，沒有達到要求的芯片水平，只是一種簡單的邏輯電路系統。之后很長一段時間內，由于智能控制理論和處理器技術的限制，機器人技術沒有得到足夠的發展。從上世紀70年代開始，智能理論的發展促進了機器人技術的研究。而最近幾年來嵌入式技術的高度發展，使得以光機電一體化設備為基礎的機器人技術得到前所未有的發展趨勢。其中，火星探測車就是一個非常典型的例子。火星探測車價值近10億美元，是一種高新技術密集型的先進機器人系統，能夠不依靠地球的控制進行自主工作。這種機器人由于加入了嵌入式系統，可靠性較高，對完成地面的工作要求起到了非常重要的作用。

3.2 工業控制設備技術

工業控制設備是嵌入式技術應用最為廣泛的一類。現在的工業控制設備中，工控機的應用最為廣泛，這些工控機通常使用工業級處理器和處理設備，工控要求較高，除了需要對設備進行實時控制以外，還要將設備的狀態信息顯示到顯示器上，這些都對工控機的硬件和軟件提出了更高的要求。傳統的PCI04總線系統穩定性較強，體積小，因此得到了廣泛的推廣，但是由于這些系統大多使用Windows系統，因此不屬于純粹的嵌入式系統。另外，工控機和設備控制器是嵌入式處理器應用最為廣泛的領域，這些控制處理器占據控制器的核心位置，為控制器提供了豐富的總線接口，因而能夠實現數據收集、數據處理、數據通信和數據顯示的功能。

3.3 分布式控制技術

分布式控制技術是嵌入式系統應用最早，范圍最為廣泛的領域之一。目前，世界上已經有數十家公司涉及到分布式控制領域。在工業領域普遍使用分布式控制技術的主要原因包括如下幾個方面：

（1）被控對象的種類較多，數量較大，且分布范圍較廣，因此需要分布式的控制技術;（2）除了生產過程控制外，還希望在管理方面實現控制的自動化。

由于嵌入式系統的小型化、專用化和嵌入式特點，使其非常適合分布式系統的應用，隨著近年來分布式系統的發展，嵌入式技術在光機電一體化設備中的應用也越來越廣。

4 結論

本文首先對嵌入式技術在光機電一體化技術中的相關應用和理論知識進行了分析，并對嵌入式技術在光機電一體化技術中的應用現狀進行了介紹。可以預見，嵌入式技術與光機電一體化技術的融合是未來工業自動化控制領域的發展方向，因此，需要加強嵌入式技術與光機電技術的研究，為光機電一體化系統的發展和完善奠定良好的理論基礎和實踐基礎。

參考文獻：

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