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嵌入式伺服（fú）控製器調試軟件的研究

2017-7-25 來（lái）源：中國科學（xué）院大（dà）學作者：史秀玉，何平，王誌成，，吳文江，張玉磊

摘要: 隨著工業控製領（lǐng）域的不斷發展，傳統的控製（zhì）器已經無法滿足用戶在線調試的（de）需求，隻（zhī）能通過仿真得到實驗結果（guǒ），這種係統仿真具有（yǒu）一定的理想性。針對傳統控（kòng）製器的缺陷，提（tí）出設計一種嵌入式伺（sì）服控製器調試軟件，能有效彌補這一（yī）缺陷。文章采用． NET Framework 平台及 Visual Studio 集（jí）成（chéng）開發環境，基於嵌入式伺（sì）服控製器設計（jì）了編輯（jí）器、匯（huì）編器以及調試（shì）器( 硬（yìng）件在（zài）回路仿真測試係統) 。運用硬件在回路( Hardware-in-the-loop，HIL) 技術，讓處理器運行仿真模型來模擬電機的運行狀態，滿足了用戶實時調試的需求（qiú）。

關鍵詞: Visual Studio; HIL; 嵌入（rù）式伺服控製器; 調（diào）試軟件

0.引言

隨著微控製器的快速（sù）發展，其應用已經遍及各個領域，如: 電機控製、工業自動化等。傳統控製器中，單軸（zhóu）控製器和伺服（fú）驅動器采用（yòng）分立的設計結構，係統成（chéng）本高、通訊時延長、靈活性差。因此，嵌（qiàn）入式單軸控製器（qì）應運而生，它將（jiāng）單（dān）軸控製器和伺服驅動器結合在一起，解決了傳統控製器的缺陷; 嵌入式單軸控製器的出現也對調（diào）試工具提出了新的要求，在對指令進行（háng）編輯編譯的（de）同（tóng）時，也需要滿足用戶的實（shí）時調試的需求。目前（qián）國內（nèi）尚無成熟的嵌入式伺服控製器調試軟件，因此在參考文獻［1］的基（jī）礎上，文章（zhāng）設計了基於（yú）嵌（qiàn）入式伺服（fú）控製器的（de）調試軟件。嵌入式伺服控製器調試軟件可用（yòng）於實現運動控製器監控、編碼（mǎ）器角度檢測、Osci 控製等功能，其核心功能（néng）是編輯、匯編以及調試，其（qí）中，調（diào）試功能采用了硬件在回路的仿真設計，硬件在回路仿真已逐漸成為控製係統（tǒng）設（shè）計的重（chóng）要工具［2］，滿足了用戶（hù）實時調試的需求。

1.總體結構設計

1.1 伺服控製係統

伺服（fú）控製係統整體的工作流程如圖 1 所示: 用戶在上位 PC 機的調試軟件（jiàn）上編寫程序，通過 USB 端口將程序指令代（dài）碼（mǎ）序列下載到嵌入式單軸控製器中，解釋器（qì）模塊對下（xià）載的代碼序列進行解釋處理並（bìng）調用相應的處理函數，得到電機的（de）運動參數，因為（wéi）單軸控製器和伺服驅動（dòng）器共享內存，伺服（fú）驅動器可以根據參數直接控製電機的運動軌跡（jì），不需要再使用通訊接口。其中，運動控（kòng）製器中變量（liàng）監測模塊保存記錄數據，並將各個變量同樣通過 USB 接口反饋給（gěi）上位 PC 機調試軟（ruǎn）件（jiàn）中的（de）調試器，便於（yú）用戶實時調試，控製（zhì）電機的運轉軌跡。

圖 1 伺（sì）服控製係統結構

1.2 伺服驅動指令

伺服驅動指（zhǐ）令由匯編器匯編，具有一定（dìng）的指令格式，包括指令標識符和相關的參數（shù）。統一（yī）編譯為二進製（zhì）代碼，根據（jù）指令標識符的不同，調用不同的指令處理函數（shù），當然這就是解釋（shì）器的（de）功能了，不是我們討論的範疇（chóu）。根據參考文獻［1］設計的伺服驅動指令集，設計（jì）一個類，定（dìng）義統一的指令規範格式，定（dìng）義各（gè）個變量，分別（bié）存儲助記符的名稱、指令代碼、參數個數以及各個參數。定義該類型的數組，數組中存放的是所有的指令（lìng）集合，最後定義所（suǒ）有輸入輸出參數可（kě）能的類型指令。

2.調試軟件的設計（jì）

2.1 編輯（jí）器的設計

采用 Visual Studio 平台的 rich Text Box 組件，在 C#win Form 程序中作（zuò）為匯編器的編輯界麵，同時采用 la-bel 控件為代碼添加行號。為 Label 控件添加 Paint 事件，來實現行號的添加。具體代碼設計如圖 2 所示:

圖 2 繪製行號

其中，line Num Point 是一個 List 數組，存放的是Point 類型的數。Line Num Point 中的坐標是由 Line N-um Point． Add( ) 函數逐一添加的。遍曆該數組得到數組中元素的個數( 即行數) ，g． Draw String( ) 函（hán）數繪製（zhì）行號。此中存（cún）在一個設計難點，就是滾動條的問題。隨（suí）著滾（gǔn）動條的滾動，行號需要（yào）不斷的刷新才能滿足正常的需（xū）要。為此設計一個滾動（dòng）條的垂直滾動事件( rich Text Box 的 VScroll 事件) ，實（shí）現行號的刷新。首先用 clear( ) 函數將坐標數組清（qīng）空，重新計算字（zì）符串坐標（biāo），我們知道文本框（kuàng）的行數，即 rich Text Box． Line．Length，先用 Get First Char Index From Line ( ) 函（hán）數從行號得到給定行（háng）第（dì）一（yī）個字符的索（suǒ）引，再根據函數 Get Posi-tion From Char Index( ) 得到字符在指定索引處的位置，進而得到每行行號的坐標。到此為止（zhǐ），編輯器已經做好了，但是為了使其更加（jiā）美觀實用，這裏為其實現了關鍵字高亮。高亮代碼如圖 3 所示。

圖 3關鍵字高（gāo）亮

2.2 匯編（biān）器的設計

匯編器需（xū）要在上位 PC 機調試軟件中使用，在上位 PC 機調試軟件的編輯器的編輯框裏（lǐ）輸入相關（guān）的匯編指令，匯編器將這些匯編指令一一（yī）進行匯（huì）編（biān），即編譯為可執行的二進製代碼，如果編譯不（bú）通過，則需進行相應的代碼調（diào）試，直至編譯通（tōng）過為（wéi）止。匯編過（guò）程的流程圖如圖（tú） 4 所示。

圖 4 匯編程序流程圖

2. 2.1 定義用戶輸入指令

定義用戶輸入指（zhǐ）令類，包括（kuò）的變量（liàng）有: 用戶輸入命令的名稱（chēng） name，參（cān）數 arg X，參數 arg Y，參數 a-rg Z，行號line，String 類型的輸入參數數（shù）組 in Arg，Int32 類型（xíng）的輸出參數數組 out Arg，以及（jí） byte 類型的（de）數組 bin，長度等於 8，一條指令的長度（dù），8 個字（zì）節，用於保存編譯後的二進製指令。

2.2.2 設計難點

設計過程中需（xū）要考慮的兩大問題，第一: 若用戶輸入的有空白行（háng），則必須先去（qù）除空白行，否則就算編程讓

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