高压带电作业机器人嵌入式控制系统设计

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1、高压带电作业机器人嵌入式控制系统设计摘要：随着机械控制技术的快速发展，基于传统的工控机或者PLC的控制器已经无法满足高压带电作业机器人稳定性、实时性、扩展性，以及高效、低功耗的工业化要求。本文设计出了一套基于ARM的嵌入式控制器，并将μC/OS-Ⅱ移植其中作为操作系统。其在提高开发效率、缩短开发周期，以及提高可靠性等方面的优势，可以很好地满足工业控制器个性化、智能化的发展需要。关键词：PLCARMμC/OS-Ⅱ嵌入式控制器移植1.引言高空高压带电作业是指在不停电的状态下对架空高压线路进行维修、更换设备等，以避免停电带来的不便与损失。带电

2、作业已经成为保证供电设备可靠运行、提高电网运行效率与质量的重要手段；其经济社会效益是无法估量的。自1999年我国开始进行带电作业机器人研究至今，取得了巨大的成果，但随着智能控制技术的不断提高，节能、低功耗且稳定性与实时性并举成为工业控制机器人的发展趋势，具有嵌入式系统的控制器不仅可以满足这方面的需要，在可扩展性方面也表现得十分出色。9基于ARM的开放式控制系统不仅价格合理、结构简单，而且移植性好，能够实现功能模块的最大化扩展。这些功能模块全部连接在总线上，互不影响、切换快速。这些优点对于提高高压带电作业机器人的整体工作性能、效率与质量具

3、有重大的作用。因此本文设计了基于ARM的嵌入式控制器，采用模块化结构，对于嵌入式技术的发展具有一定的技术意义。本课题项目高压带电作业机械手的控制车的设计图如图1。2.硬件结构设计带电作业机器人嵌入式控制器的设计主要包括硬件层和内核层，按照本控制器的设计理念，硬件层应满足实时性、可扩展性、低成本，以及基于标准的总线结构。2.1微控制器其采用了PHILIPS公司的ARM7TDMI-S核、总线开放的单片机LPC2292。LPC2292是世界首款可加密的具有外部存储器接口的ARM芯片，具有零等待256KB的片内FLASH，16KB的SRAM，可

4、简化系统设计，提高性能及可靠性。芯片内部具有UART、硬件I2C、SPI、PWM、ADC、定时器和CAN等众多外围部件，功能强大；144引脚LQFP封装，3.3V和1.8V系统电源，内部PLL时钟调整，功耗低。2.2整体设计9LPC2292具有144引脚的封装、非常低的功耗、若干个32位定时器、8路10位ADC转换器、2路CAN接口，以及PWM通道和9个外部中断引脚，这使其特别适用工业控制应用以容错维协议转换器及许多其他应用中护总线。此外，LPC2292内部含有76（使用了外部存储器）到112个（单片）可用GPIO口。并且含有宽范围的串

5、行通信接口，因此非常适合应用于通信网关。3.控制系统软件3.1实时操作系统介绍实时操作系统是继传统的前后台系统后，针对其及时性比较差的问题而出现的一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态的切换各个任务，保证对实时性的要求。9随着智能控制的发展，以及工业化水平的不断提高，实时操作系统的应用是十分必要的。首先，实时操作系统提高了系统的可

6、靠性，提高了开发效率缩短了开发周期；其次，嵌入式实时操作系统充分发挥了32位CPU的多任务潜力，特别适合于运行多任务实时系统。在嵌入式实时操作系统环境下开发实施应用程序使得程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理，通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。常见的嵌入式实时操作系统有：嵌入式Linux、VxWorks、OSE、eCos、μC/OS-Ⅱ。3.2实时操作系统的比较与

7、选择VxWorks操作系统成本高，结构复杂，不适合小型应用；Linux操作系统体系结构复杂，产品化和商业化程度不够，即使在Linux本来的PC目标环境下，也难寻理想的技术支持，更不用说嵌入式环境下的Linux，这方面的弱势对批量生产、大规模、长时间运行使用的工业化产品来说是致命的。因此，本文选择μC/OS-Ⅱ作为操作系统，其主要优势为：μC/OS-Ⅱ是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统，成本低、实时性强、移植性能好、扩展性能优良。4.μC/OS-Ⅱ的移植4.1μC/OS-Ⅱ的简介9μC/OS-Ⅱ是一个完整的、

8、可移植、固化、裁剪的占先式实施多任务内核，并且是用移植性很强的C语言编写的，与微处理器硬件相关的部分是用汇编语言编写的，使其可以供不同架构的微处理器使用，至今，从8位到64位，μC/OS-Ⅱ已经超过40种体