引言
美國著名未來學(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。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(jié)構(gòu)的嵌入式硬件平臺和Windows CE 4.0軟件平臺，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，帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過1萬億美元，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)，開發(fā)所采用的主流軟件平臺、硬件平臺作詳細(xì)的介紹，并通過Stewart平臺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)具有微內(nèi)核、系統(tǒng)精簡、高實(shí)時(shí)性、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、存儲器、輸入輸出（I/O）和軟件組成,這里的軟件是指基于RTOS開發(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、測量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。越來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、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。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：
（1）公開源碼：是為數(shù)不多的公開源碼的RTOS,給二次開發(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年以來已經(jīng)有好幾百個(gè)商業(yè)應(yīng)用。其中NationalOptronics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平臺的伺服控制器設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
Stewart平臺是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平臺作饋源艙的精調(diào)子系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中要求Stewart平臺系統(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Stewart平臺控制器的可靠性、體積都有較高的要求。
Stewart平臺控制系統(tǒng)基于ATMEL公司的AT9140800嵌入式微處理器為核心。其它主要硬件部分有：
（1） 存儲器：系統(tǒng)配以2MBSDRAM，1MB線性FlashROM用于存儲RTOS和應(yīng)用軟件。
（2） 編碼器接口：設(shè)計(jì)6路獨(dú)立編碼器接口，包括脈沖細(xì)分邏輯和辨向電路。
（3） DA接口：6路獨(dú)立的12位DA接口電路，其輸出的模擬量作為伺服放大器的輸入。
（4） 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232接口：可以通過RS232接口接收主機(jī)的指令。
（5） 提供ISA總線接口：可以將本嵌入式系統(tǒng)插入PC的ISA槽中，通過ISA總線接收PC的指令，用于標(biāo)準(zhǔn)的工控模式。
（6） 各種狀態(tài)指示燈，指示系統(tǒng)的工作狀況和每個(gè)通道的工作狀態(tài)。各接口的通訊格式全部采用帶校驗(yàn)的自定義格式。
4.2 系統(tǒng)軟件
該系統(tǒng)軟件是基于μC/OS為RTOS開發(fā)的專用軟件。主要包括以下幾部分：
（1） 多任務(wù)管理；
（2） 內(nèi)存資源管理；
（3）中斷管理；
（4）UART接口管理；
（5） ISA接口管理；
（6） 電機(jī)控制ADRC算法。
其中（1）、（2）、（3）由μC/OS實(shí)現(xiàn)（與接口有關(guān)的中斷服務(wù)程序需用戶編寫），其余為用戶編程實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的各類電機(jī)控制器中大多采用各種各樣的PID，如非線性PID，模糊PID等,這里電機(jī)控制采用自抗擾控制ADRC（auto_disturbance rejector controller）算法。為了提高算法的效果，對原來ADRC算法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，采用變參數(shù)思想，稱之為模糊ADRC。
4.3 μC/OS的移植軟件
μC/OS的移植工作主要包括：
（1）聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類型。在文件OS_CPU.H 中定義9個(gè)數(shù)據(jù)類型和一個(gè)堆棧寬度。
（2）用#define設(shè)置一個(gè)表示堆棧增長方向的常量OS_STK_GROWTH x 。
（3）用#define聲明三個(gè)宏。
（4）用C語言編寫六個(gè)簡單的函數(shù)。
由于μC/OS是源碼公開的免費(fèi)型RTOS,其上有許多成功的移植實(shí)例共享。按照上述嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)思想，我們設(shè)計(jì)了Stewart平臺專用伺服控制器。控制器能很好地跟蹤期望信號，并能在很短的時(shí)間內(nèi)消除干擾的影響。
5 結(jié)束語
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)，采用嵌入式系統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在可靠性、體積、功耗、性價(jià)比等方面都具有明顯的優(yōu)勢，相信不久的將來嵌入式系統(tǒng)會(huì)廣泛應(yīng)用于各類機(jī)電控制中，并能取得更好的控制效果和更好的系統(tǒng)綜合性能。
