基于嵌入式技術的機電設備控制裝置的設計研究

張辰宇

摘要：為改進目前機電設備技術含量低且不能滿足現代I業要求的問題。應用嵌入式技術進行設計。設計了一個集音頻/視頻信號識別/處理、存儲器擴展、外部接口模塊等為一體的嵌入式控制裝置。使得機電設備的信息化、自動化和數字化改善效果顯著，并為傳統制造業的更新換代提供了參考價值。

關鍵詞：裝備設計?嵌入式技術?機電設備?現代工業?自動化

中圖分類號：D460.5040

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）08-0090-03

引言

本文從機電設備面臨的技術問題和嵌入式技術入手，將嵌入式技術集成到機電設備中。總的來說，就是將嵌入式技術的理論和應用整合到機電設備控制裝置的設計和開發中，以設計一個具有高可靠性和高性能的基于微處理器的控制裝置。

一、研究背景

近幾年，制造業公司在經濟和技術等發面發展較為低迷。追根溯源，最重要的原因是機電設備智能化水平低下，技術更新不及時，以至于無法達到工程的標準，因而在激烈的市場競爭中無法形成自己獨特的優勢，常以失敗告終。如果制造企業要改變現狀，積極響應和擁護政府的政策支持和體制改革是必由之路[1]。即機電設備需要經過深入的技術更新換代升級，使其在市場中的競爭力得到加強，為企業的發展提供更多的機會，為行業注入更多的活力。因而，應用新型技術設計出更符合“中國制造2025”戰略的新型設備才能夠加快制造智能化前進的腳步。

二、嵌入式技術在裝置系統設計當中的應用

本裝置的系統中使用的RTOS主要有兩種類型：免費的和商業的。免費的實時操作系統主要包括Linux和UC/OSII，而Linux又分為RT-Linux和uLinux。商業操作系統主要包括VXWork、WindowsCE4.0和PalmOS。這些類型的商業系統有不同的應用范圍：CE4.0適用于消費類電子設備，Palm適用于PAD，而VX則適用于網絡。在對VXWork、RT-LIMUX和UC/OSII三種平臺的性能進行比較的基礎上（包括硬件平臺、任務切換和中斷響應），擬將UC/OSIIl視為為機電控制系統開發的實時操作系統。UC/OSII有以下顯著特點：

（1）包含相應的源代碼，這使得其能夠為系統軟件的遷移和二次開發提供有利條件（2）可移植性較高，其大部分源代碼是由ANSIC編譯（3）RTOS具有可固化的特點，其內核相對較小，可用于FLASHROM中的應用（4）使用條件編譯來執行軟件和硬件裁剪，從而使實時操作系統更加方便（5）搶占式實時操作系統是保證其滿足實時應用要求的可靠保證（6）可同時處理多項任務（7）能夠在應用過程中知道服務的功能和執行時間（8）可以同時執行中斷管理。

嵌入式技術在工業控制設備中的應用越來越廣泛，它可以提高處理器的性能，實現設備狀態的實時監測和處理，確保應用效果[2]。特別是在目前64位處理器大幅度覆蓋的情況下，不僅要能保證大量的接口總線資源以提升數據采集和匯總處理的效率，還要滿足終端客戶的需求，為他們提供相關領域的幫助支持，從而打造完美的產業設備平臺。例如在機器人技術初期，就與嵌入式系統有著千絲萬縷的關系[3]。最早的控制方法只是從“與非門”電路中汲取經驗，并沒有進行芯片的使用，后來人們才開始認可智能控制的學理。在上世紀70年代，智能控制的發展為嵌入式技術指明了前進的道路，提升了系統的可靠性和易操作性，并且直接創建了一個更完整的架構和操作程序。

嵌入式技術在機電一體化設備中的應用也體現在分布式控制系統中。由于測控對象多，對生產過程自動化要求高，為了解決這些問.題就采用了嵌入式技術，可以滿足分布式控制系統對高效率的運行需求。以此加快集散控制系統的應用效率，實現技術系統的集成和升級。

三、基于嵌入式技術的控制裝置的設計

（一）硬件框架的設計

主處理器為TI的32位定點高性能芯片642，該芯片包含各類硬件資源，例如視音頻;并配備了各種接口，例如網絡端口，PCI接口等。在視音頻處理和信號分析方面，芯片主頻率可以達到720Mhz，每秒可執行命令的數量多達560Mbps。其EMFA接口數據總線寬度為64位，最大頻率為133Mhz。該裝置主要由視音頻信號處理模塊、外部儲存器模塊和外部接口模塊組成。圖1較為詳細地展現了本裝置的結構組成。

1.視頻處理模塊的設計：為保證視頻解碼性能良好，采用了TI的解碼芯片。TVP5150PBS可以識別的信號轉換為YCBCR。其中，YCBCR為4：2：2，輸出為“ITU-RBT.656”[4]。處理器支持BT.656視頻數據流的輸入，也可以完美地銜接到TVP150。

此模塊選用了SAA7121H芯片，可對NTSC、PAL進行識別，支持BT.656進行輸入。對于數字視頻信號，則只能在經過DSP識別處理后才能進行顯示，可選擇CVBS或S-Video進行輸出，并能完美銜接到中央處理器。

2.音頻處理模塊的設計：音頻解碼芯片采用TI的TLV320AIC23B，其性能十分出色，用以支持LINEQIN和MIC的輸入。它的內部集中，構成一個有機整體，采用sigma-delta過采樣技術，不僅降低了能量損耗，還提高了信噪比。

主處理器芯片的MC64接口可以應用于多通道音頻處理，采用

TV510的27MHz時鐘輸出作為輸入，使用可編程鎖相環PL1708來確保同時采樣和回放視頻和音頻，以此實現單獨或同時執行多通道的數據接收和傳輸。

3.外部存儲器模塊的設計：主處理器芯片通過EMIF接口訪問外部存儲器。CE3CE0、8-bit啟用線Be[7：0]、20-bit地址線A[22：03]、64-bit數據線D[63：00]這四位芯片選擇器共同組成了EMIF，每個CEX有256Mb的可尋址內存，可用于適配各類的接口，如SDRAM、Flash、SRAM等。CE1還被用來將1Mx8位閃存擴展到數據緩沖空間。外部存儲區的地址范圍為0X900[J].000～0x9001FFFFF。

EMIF時鐘是根據輸入時鐘生成的，IN是其輸入引腳，OUT1是輸入時鐘引腳，OUT2是輸出時鐘弓引腳，它們可以分別輸入和輸出x1～x4的CPU時鐘。控制器寄存器控制，從BE0至BE7完成信號接收端的激活信號;異步存儲器由就緒信號、異步啟用、讀寫信號和其他信號進行實現。該裝置的RAM使用HY547V283220T芯片，兩塊芯片對稱放置，它們可以臨時存儲處理后的數據，同時將臨時存儲數據輸出到EMIF接口。

4.外部接口模塊的設計：裝置選擇TL16C752B作為異步串行端口。為了使TL16C752B成功連接，主處理器將CE1子空間配置為8位靜態內存，并且每個異步串行端口都占用了8位內存x8。控制指令由主處理器發出，并有序通過異步通信串口、緩沖區以及電平轉換芯片到達控制模塊。裝置采用四線RS232接口標準，利用CPLD器件EPM712128ETC控制電路，完成EPM71228AETC中的串行通信。該芯片可以將中央處理器的8-bit并行數據轉換成串行數據，供串行芯片使用，或將串行芯片的數據轉換為中央處理器易于操作的并行數據。

5.裝置電路的仿真分析：由于裝置中兩個SDRAM芯片的數據總線和地址總線的傳播速度非常快，因此對電路中電流的阻塞效應不容易匹配。通過對IBIS模型的研究，能預先計算電路的阻抗，然后從ZOUT=E/IO和RSERISE開始計算。可得RSERISE值為53.15。選擇模擬電阻時，選取51，并將激勵信號調整成頻率為133MHz的方波，最后分析信號以判斷品質高低。

如圖2和圖3分別為匹配前和匹配后總線的仿真曲線。無法與之匹配的電阻會產生較大的過沖波形;而通過匹配的51Q電阻，源反射系數近似為零，極大地降低了負面影響，幾乎不存在誤差。如此一來，既滿足了對信號完整性要求，也大大降低了波形過沖，提高了線路承受干擾的能力。

（二）識別方法和數據處理

裝置系統利用ZUV對運動檢測中的視頻信號進行處理。在顯示器的屏幕上，Y信號和色度信號可以通過彩色圖像進行提取。ZUV矢量被轉換為RGB信號，以矩陣變換進行顯示。除此之外，ZUV也可根據不同的算法被應用到其他的運算方式當中。

從以上公式可以看出，在檢測的過程中閾值T始終起著決定性作用，整個檢測系統的靈敏度幾乎由它的大小來決定。當T值較小時，噪聲較大;當T值較大時，它可以濾除一些噪聲，使噪聲較小。但在這種情況下，會很容易破壞目標的連續性。閾值T有一個很重要的特性，即缺乏自適應性，很難去適應周圍環境的變化，所以它對檢測條件的要求也十分苛刻。例如，在狂風暴雨等極端天氣，會給預測的效果帶來不確定性，影響檢驗的可靠性。針對這個問題，擬提出一種基于幀差法的改進算法。

當天氣情況發生變化時，背景環境基本保持不變，因此為了保證最后結果的科學性，我們可以給判斷條件加上一個附加項，也就是整體靈敏度。修改判決條件如下：

公式中λ抑制系數，NA為檢測區域A的像素數，A為整幅圖像。增加項目為：

公式（3）代表整體環境發生的變化。當整體環境條件變化較小時，最終值會趨近于0;當整體環境條件變化較大時，最終值會隨著條件的變化而增加，使公式（2）的條件有效。

首先，收集的圖像會被轉換為視頻數據傳遞給中央處理器。處理完成后，處理器將其以YUV格式傳輸到輸出設備以顯示和移動對象，邊緣會在屏幕上會進行突出處理。

當進行某些特殊的操作時，監控系統會發出一些異常音頻。為了快速識別異常并將異常音頻與正常音頻進行分割，可以使用芯片快速收集實時聲音，然后將已識別的異常聲音狀態傳輸給主處理器芯片。

在裝置中，音頻輸入和輸出測試主要包括MCASP配置、通信以及音頻數據交換等。測試音頻主要包括初始化MCASP、通過IC設置編解碼器工作模式等方式。除此之外，還需要中央處理器、數字信號預處理（前置放大器、增益、頻帶限制濾波器）、高速A/D接口和信息傳輸端口對異常音頻進行識別。

在識別中，需要進行和FFT變換以及均值處理。由于計算數據量較大，為了提高效率，保證實時性，需要最小化頻率范圍。當聲音信號以40ms的頻率拍攝，并分析每10ms的頻率

讓采樣的數據序列為h（n），然后執行n個點的FFT運算和Blankman窗口，如下所示：

其中H（k）是輸出序列，W（n）是布萊克曼窗函數;因此，功率譜S（k）=H（k）|，將數字頻率k轉換為模擬頻率f后，從5000Hz到10125Hz的功率譜值之和為E。

當采樣序列只包含輸入序列時，上述算法可以在無異常音頻時確定E值;當采樣序列包含異常音頻時，可以此計算出E'，顯而易見的是，兩者之值并不相等。結果E'E表示無異常音頻，E'E則表示異常音頻出現。

（三）研究結果

裝置的監測對象為錳材料盒，主要用于其工作過程中的異常工況進行預警，識別故障現象。圖4顯示了錳封隔器的整體結構和傳感器布局。裝置的傳感器信息包含視覺信息，聽覺信息和內部傳感器信息。內部傳感器的大多數信息都是指示裝置行程極限的開關值，例如限位開關值、和磁性開關值，采用“0-1控制”-1表示開關接通，0表示開關斷開。

通常在描述裝置的運行狀態時，只需要根據少量的傳感信息來確定裝置是否正常運行。例如，可以運用平臺與開關、視覺信息之間的不同距離來完成對工作狀態的描述;利用伺服電機的視聽信息，可以檢查裝置是否暫停;而氣缸上限的磁開關和包裝位置等信息則可以決定平臺的工作速度，詳見表1。

在實驗過程中，人工生成了60條典型斷層。裝置系統的準確率很高，例如判斷運行期間機器故障狀況的識別準確度高達98.3%，機器故障現象識別的準確度也高達91.6%。根據結果我們可以知道：該裝置的工作是正常的。狀態可以被有效監控。

為了驗證所設計的能耗監測功能的準確性，采用了日本一家公司生產的Hioki3390寬帶功率分析儀作為校準儀器。同時，監控系統的數據采集模塊Hioki3390寬帶功率分析儀安裝在數控機床CK6136主電源空氣開關上。曲線記錄如圖5所示。可以看出，所測得的功率值的相對誤差相對較小。

文章對數控機床在加工過程中的實際能耗進行了分析。通過收集并分析人機交互界面顯示的機床能耗總量、機床能耗有效值、運行時長等信息，將數據可視化技術51與人工操作相輔相成！61。為生產過程中節能減排效果的后續改善提供可靠的數據支持。

從USB端口將成功讀取的數據傳送到電腦上處理，根據每個通道的數據分離原始數據，最后輸出數據。使用HEXEDIT和MATLAB操作得到數據源和波形。每個數據通道的前4個字節是數據幀頭，后4個字節是幀數。結果如圖6所示。

圖7顯示了經過MATLAB處理后的模擬波形。可以看出，該電壓值與裝置工作電壓28.0V基本吻合。

總結

基于DM642芯片進行處理的嵌入式控制裝置是根據用于狀態監測的機電設備標準設計的。為了檢驗該裝置及其系統運行的可行性，在錳包裝生產線上對該裝置進行了測試。它的運行速度極快，具有與數字設備較好的兼容型，并具有高度的軟硬件集成度。僅需要更改算法并調整數字采樣率便能夠響應不同的操作條件和使用需求，軟件和硬件結構靈活，易于推廣。

參考文獻

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