摘 要：介紹了嵌入式系統(tǒng)及其特點(diǎn)，討論了嵌入式微處理器、軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇。以Stewart平臺(tái)伺服控制器為例介紹了嵌入式系統(tǒng)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)典型信號(hào)的跟蹤結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；機(jī)電控制；Stewart平臺(tái)
0 引言
美國(guó)著名未來(lái)學(xué)家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時(shí)預(yù)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[1]。事實(shí)正如尼葛洛龐帝先生所預(yù)料的那樣，嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，國(guó)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(shì)的基于Xsale框架結(jié)構(gòu)的嵌入式硬件平臺(tái)和Windows CE 4.0軟件平臺(tái)，為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展注入了強(qiáng)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(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(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而機(jī)電控制是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，采用嵌入式的機(jī)器人、SONY 機(jī)器狗及1997年美國(guó)發(fā)射的“索納杰”火星車就是經(jīng)典的實(shí)例。就嵌入式系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)所采用的主流軟件平臺(tái)、硬件平臺(tái)作詳細(xì)的介紹，并通過(guò)Stewart平臺(tái)專用伺服控制器的設(shè)計(jì)，介紹了嵌入式技術(shù)在機(jī)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及具體實(shí)現(xiàn)。
1 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)具有(1)微內(nèi)核;(2)系統(tǒng)精簡(jiǎn);(3)高實(shí)時(shí)性;(4)專用性強(qiáng)等特點(diǎn),因此非常適合應(yīng)用于機(jī)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(chǔ)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(jié)合的應(yīng)用軟件。這種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件緊密結(jié)合為一體正是嵌入式系統(tǒng)和基于Windows應(yīng)用系統(tǒng)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(guó)ARM公司的ARM內(nèi)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(fèi)類電子產(chǎn)品中，還是在機(jī)電、GPS、航空、勘探、測(cè)量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。越來(lái)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(yīng)的基于ARM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(biāo)準(zhǔn)，成為業(yè)界的龍頭。
文中采用ATMEL的AT91x40[2]，設(shè)計(jì)了用于Stewart平臺(tái)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(shí)現(xiàn)了高效的32位RISC結(jié)構(gòu)，非常適合實(shí)時(shí)控制應(yīng)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(nèi)RAM以及各種外圍功能模塊使其成為強(qiáng)有力的微控制器，為許多需要加強(qiáng)運(yùn)算的嵌入式應(yīng)用提供了高度的靈活性和高性價(jià)比的解決方案。AT91x40的主要片上功能：
·帶8KB緩存的ARM7TDMI ARM ThumbCPU核；
·完全可編程的外部總線接口，支持64M尋址空間；
·8優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，4個(gè)外部中斷源；
·3通道16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器；
·5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；
·可編程的看門狗定時(shí)器；
·兩個(gè)獨(dú)立的USART；
·先進(jìn)的省電特性。
3 嵌入式RTOS的選擇
目前嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS分為兩類：商用型和免費(fèi)型。其中商用型典型的RTOS有：Windows CE 4.0(適合于消費(fèi)類電子產(chǎn)品)；VxWork(適合于網(wǎng)絡(luò)、交換設(shè)備等)；Palm OS(適合于PAD產(chǎn)品)。免費(fèi)型RTOS有Linux(包括uLinux和RT-Linux)和μC/OSII。表1是比較適合機(jī)電控制的三款RTOS的主要指標(biāo)比較。綜合考慮，這里選擇μC/OSII作為本系統(tǒng)的RTOS。
μC/OSII(即μC/OS的最新版)主要特點(diǎn)如下[3]：(1)公開(kāi)源碼：是為數(shù)不多的公開(kāi)源碼的RTOS,給二次開(kāi)發(fā)和移植提供了可能；(2)可移植性強(qiáng)：μC/OSII絕大多數(shù)源碼用ANSI C編寫，少量用匯編語(yǔ)言編寫，具有較強(qiáng)的移植性；(3)可固化：微小內(nèi)核，可以和應(yīng)用程序一起固化到FLASHROM中；(4)可裁剪：通過(guò)條件編譯即可實(shí)現(xiàn)裁剪，十分方便；(5)占先式：是實(shí)時(shí)性的重要保證；(6)多任務(wù)：多達(dá)64個(gè)任務(wù)管理，可以滿足大多數(shù)控制任務(wù)；(7)可確定性：全部的函數(shù)調(diào)用與服務(wù)執(zhí)行的時(shí)間是可知的；(8)系統(tǒng)服務(wù)：提供眾多的系統(tǒng)服務(wù)，如：消息隊(duì)列、信號(hào)量、內(nèi)存管理等。(9)中斷管理：多達(dá)255層的中斷管理。(10)穩(wěn)定性和可靠性：自1992年以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。其中National Optronics公司成功將μC/OS用于三軸運(yùn)動(dòng)控制卡中，該三軸運(yùn)動(dòng)控制卡主要用于高精度的光電子制造業(yè)。
4 基于Stewart平臺(tái)的伺服控制器設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
Stewart平臺(tái)是6腿(桿)機(jī)械手，在大射電望遠(yuǎn)鏡指向跟蹤系統(tǒng)中是利用Stewart平臺(tái)作饋源艙的精調(diào)子系統(tǒng)[3]。在該系統(tǒng)中要求Stewart平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)性運(yùn)動(dòng)，其控制精度直接決定著饋源的定位精度，而且對(duì)Stewart平臺(tái)控制器的可靠性、體積都有較高的要求。表2是三種Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)方案的比較。方案二主要由于采用較多的板卡，可靠性得不到保證，在以往實(shí)驗(yàn)中也反應(yīng)出可靠性存在很大問(wèn)題。方案一由于實(shí)時(shí)控制的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)有難度，而且體積過(guò)大(基于PC應(yīng)用)。方案三比較適合Stewart平臺(tái)控制系統(tǒng)。
