??? 摘? 要： 基于ARM7和模糊控制算法" title="模糊控制算法">模糊控制算法開發(fā)的生物發(fā)酵" title="生物發(fā)酵">生物發(fā)酵智能控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)中移植了μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II操作系統(tǒng)，采用多任務(wù)程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，大大降低了編寫程序的復(fù)雜度。針對(duì)生物發(fā)酵控制過程中的時(shí)變性、非線性、延時(shí)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，提出采用模糊邏輯控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。在一定程度上解決了傳統(tǒng)控制方法" title="控制方法">控制方法不易得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、難于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足。?

??? 關(guān)鍵詞： ARM7；模糊控制；μC/OS-II；生物發(fā)酵?

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??? 近年來, 生物工程技術(shù)越來越引起科技界、工業(yè)界和政府部門的重視。生物工程的許多成果需要經(jīng)過發(fā)酵工業(yè)而轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，所以,生物發(fā)酵及其控制系統(tǒng)在生物工程中顯得越來越重要。生物發(fā)酵過程中的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)酵過程智能化控制。在智能化技術(shù)比較先進(jìn)的國家，此技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，并轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品。而國內(nèi)發(fā)酵過程的智能化控制程度比較低，生物發(fā)酵控制過程還處于初步研究階段，可以實(shí)際應(yīng)用的、成熟的系統(tǒng)比較缺少，正在使用的功能較為先進(jìn)的發(fā)酵過程智能控制系統(tǒng)均為進(jìn)口產(chǎn)品。因此，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物發(fā)酵控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。隨著32/64位微處理器性能的提高，國內(nèi)微電子與嵌入式技術(shù)得到了迅速發(fā)展。基于此背景，本系統(tǒng)以基于ARM7內(nèi)核的嵌入式片上系統(tǒng)S3C44B0X為核心開發(fā)了智能發(fā)酵控制系統(tǒng)，操作系統(tǒng)移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II。針對(duì)生物發(fā)酵控制過程中的時(shí)變性、大延時(shí)性、隨機(jī)性等特點(diǎn),系統(tǒng)采用了模糊邏輯控制方法，適應(yīng)了復(fù)雜系統(tǒng)的控制。實(shí)踐表明，該控制系統(tǒng)可達(dá)到較為理想的控制效果。此控制方法可以推廣到其他具有大滯后、時(shí)變性等特點(diǎn)的控制對(duì)象中。?

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)?

??? 系統(tǒng)采用基于嵌入式μC/OS-II操作系統(tǒng)^[1]的ARM硬件平臺(tái)，以滿足系統(tǒng)較高的實(shí)時(shí)性需求，方便了軟硬件功能修改、擴(kuò)充、升級(jí)等需求，縮短了開發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。?

??? 發(fā)酵過程智能控制系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)啟動(dòng)后，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，ARM處理器執(zhí)行傳感器的采樣功能，并根據(jù)采樣值與設(shè)定值之間的差值，通過模糊控制算法分別控制各個(gè)控制元件。為了提高轉(zhuǎn)換精度，從硬件和軟件兩個(gè)方面采取措施：通過數(shù)字濾波法，進(jìn)一步去除干擾，提高精度；對(duì)傳感器的輸出信號(hào)實(shí)行非線性補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的測控精度。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，ARM處理器根據(jù)用戶指令輸出控制指令，控制各個(gè)執(zhí)行元件。另外，ARM處理器輸出的信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥等執(zhí)行元件，系統(tǒng)還提供了驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)經(jīng)過串口接口電路將實(shí)際采樣值傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的智能控制。圖1是發(fā)酵過程智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。?

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圖1? 智能發(fā)酵控制系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

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1.1 ARM嵌入式處理器?

??? 系統(tǒng)采用基于μC/OS-II內(nèi)核的低功耗ARM處理器S3C44B0X^[2]。它是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比的微控制器解決方案。S3C44B0X具有ARM處理器的所有優(yōu)點(diǎn)：低功耗、高性能。具有豐富的片上資源：8KB高速緩存（Cache）、可配置的片內(nèi)SRAM、兩路握手功能的UART(通用串行口)、4路DMA控制器、系統(tǒng)管理功能、片選邏輯、FP/EDO/SRAM控制器、5路帶PWM的定時(shí)器、I/O接口、RTC時(shí)鐘、8路10位ADC、I²S總線、同步SIO接口和為系統(tǒng)提供時(shí)鐘的PLL倍頻電路，且集成了LCD控制器，可以將顯示緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動(dòng)電路中，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。由于使用了該處理器眾多功能模塊使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度。系統(tǒng)中主要用到了S3C44B0X的8路10位A/D轉(zhuǎn)換模塊、LCD控制器、32位定時(shí)器、UART、GPIO、PWM輸出模塊等。?

1.2 輸入/輸出通道?

??? 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵液PH值、溶解氧含量DO實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測，以滿足發(fā)酵過程控制的實(shí)時(shí)性。為滿足控制系統(tǒng)的性能要求，PH、DO傳感器的反應(yīng)時(shí)間要快，成本要低。系統(tǒng)選用上海雷磁儀器廠的DDD-32D型導(dǎo)電儀。該電導(dǎo)率傳感器配有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能;測量范圍大，測量上限為10⁴μs/cm，滿足系統(tǒng)要求；輸出信號(hào)為0～10mA，滿足輸入信號(hào)要求。同時(shí)傳感器反應(yīng)時(shí)間也滿足控制要求，而且價(jià)格便宜。PH傳感器同樣滿足上述要求。系統(tǒng)將PH值、DO值傳感器的輸出信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。用一片CD4501作為多路選擇開關(guān)。由于產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，采用高精度可變?cè)鲆娣糯笃鰽D526實(shí)現(xiàn)信號(hào)的前置放大，調(diào)節(jié)模擬電壓信號(hào)幅度。A/D轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將采集來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而作為模糊控制器的輸入，因此A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說至關(guān)重要。系統(tǒng)采用S3C44B0X芯片自帶的8位A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包括模擬多路復(fù)用器、自動(dòng)調(diào)零器、時(shí)鐘產(chǎn)生器、10位逐次逼近寄存器和輸出寄存器。可以通過軟件設(shè)置為Sleep模式，可節(jié)電減少功率損失，最大轉(zhuǎn)換速率為100ksps，非線性度為正負(fù)1位，滿足系統(tǒng)對(duì)控制精度的要求。?

??? 輸出通道采用8255擴(kuò)展并口輸出。由于電磁閥等執(zhí)行元件需要24伏交流驅(qū)動(dòng)，故加入驅(qū)動(dòng)電路。8255輸出經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，進(jìn)一步控制24V交流的通斷，以驅(qū)動(dòng)電磁閥。?

1.3 人機(jī)通道?

??? 這部分包括顯示、鍵盤兩部分電路。系統(tǒng)直接使用S3C44B0X芯片上內(nèi)置的LCD控制器來構(gòu)造顯示模塊，將LCD控制器的控制信號(hào)經(jīng)74HC245驅(qū)動(dòng)后與LCD模塊對(duì)應(yīng)信號(hào)相連即可。LCD顯示電路采用北京精電蓬遠(yuǎn)公司的MOBI2006液晶顯示，為128×64點(diǎn)陣圖形液晶，可顯8行西文、數(shù)字字符或者4行漢字，用來顯示系統(tǒng)PH值、DO的設(shè)定值及采樣值。當(dāng)按鍵修改參數(shù)時(shí)，顯示報(bào)警參數(shù)（上、下限報(bào)警值）以及各種提示符。?

??? 鍵盤電路采用HD7297鍵盤專用芯片來進(jìn)行鍵盤的設(shè)計(jì)。HD7297是一個(gè)具有串行接口的智能驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64個(gè)鍵的鍵盤矩陣，內(nèi)部含有去抖電路。當(dāng)有鍵按下時(shí)，鍵值自動(dòng)保存在寄存器中，通過讀取該寄存器，就可獲得鍵盤鍵號(hào)，避免了傳統(tǒng)的鍵盤掃描、計(jì)算鍵值等軟件，方便程序編寫。HD7297與S3C44B0X的連接極其簡單，只要把/CS、CLK、DATA和KEY四根線連接到S3C44B0X的GPIO即可。?

1.4 其他基本功能模塊?

??? 其他基本功能模塊包括存儲(chǔ)器模塊、超限報(bào)警模塊、異步串行通信模塊、JTAG接口模塊、電源及時(shí)鐘電路等。存儲(chǔ)器模塊用于記錄系統(tǒng)及發(fā)酵程序、發(fā)酵累計(jì)時(shí)間等信息。超限報(bào)警模塊由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)由于意外因素導(dǎo)致實(shí)際采樣值高于設(shè)定值上限時(shí)，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。UART模塊用于與上位機(jī)進(jìn)行通訊，以利用PC機(jī)的資源。JTAG系統(tǒng)是通過仿真器將系統(tǒng)與PC相連，利用S3C44B0X芯片內(nèi)部的在線調(diào)試模塊在上位機(jī)上調(diào)試程序。電源及時(shí)鐘電路提供系統(tǒng)工作時(shí)的電源及時(shí)鐘。?

2 模糊控制算法?

??? 生物發(fā)酵過程是時(shí)變、非線性、不確定等多變量的耦合系統(tǒng)，涉及到生命體的生長繁殖過程，機(jī)理復(fù)雜。系統(tǒng)的滯后和慣性都很大，傳遞函數(shù)很難確定。又因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是只有兩種狀態(tài)的開關(guān)電磁閥，只能控制電磁閥在控制周期內(nèi)的開關(guān)時(shí)間比例，用傳統(tǒng)控制方法不易得到較好的控制效果，因此，系統(tǒng)采用模糊邏輯控制方法^[3-6]來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，系統(tǒng)選用二維模糊控制器，即以偏差e和偏差變化Δe作為輸入變量，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。這時(shí)的模糊控制器類似于一個(gè)PD控制器，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少響應(yīng)過程的超調(diào)量并削弱其振蕩現(xiàn)象。?

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??? 因?yàn)橄到y(tǒng)延遲較大，并且由于生物發(fā)酵過程中發(fā)酵罐中葉輪的旋轉(zhuǎn)使檢測得到的PH值、DO值的波動(dòng)大，e和Δe的模糊語言值和論域等級(jí)不宜過多。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)傳感器A/D采樣值的數(shù)據(jù)分析，選取m=5，k=2。e、Δe和U的語言真值集為：E、E_C、U。其中E={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域?yàn)椋簕-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；E_C={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域?yàn)椋簕-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；U={NB，NS，ZE，PS，PB}，論域?yàn)椋簕-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。系統(tǒng)輸入E、EC的隸屬函數(shù)與輸出U的隸屬函數(shù)如表1、表2所示。?

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??? 二維模糊控制器的模糊規(guī)則通常由模糊條件語句：?

if 的模糊子集。多條這種結(jié)構(gòu)的模糊條件語句就可以總結(jié)為模糊控制規(guī)則表。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際發(fā)酵過程中操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出控制規(guī)則如表3。?

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?

??? 軟件設(shè)計(jì)采用了當(dāng)前流行的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，并使用ARM和Thumb指令集混合編譯來優(yōu)化代碼密度。首先將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II移植到S3C44B0X嵌入式微處理器上，系統(tǒng)將要完成的功能細(xì)化為幾個(gè)核心任務(wù)，由μC/OS-II實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行執(zhí)行，系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性得到大幅提升。?

????按系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)軟件被劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)。占先式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的，將系統(tǒng)的所有任務(wù)按其優(yōu)先級(jí)從高到低順序依次是：系統(tǒng)監(jiān)視、鍵盤掃描、LCD顯示、模糊控制算法、控制量輸出和異步串行通信。數(shù)據(jù)采集部分放到定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行，即每2s對(duì)PH值、DO值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)用來監(jiān)視其他任務(wù)。當(dāng)被監(jiān)視任務(wù)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將按照預(yù)先設(shè)定的處理表對(duì)其進(jìn)行處理，使出錯(cuò)的任務(wù)恢復(fù)正常運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、分配堆棧空間，然后建立任務(wù)間通信的郵箱或消息隊(duì)列，建立任務(wù)及分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)。所有新建任務(wù)被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)開始執(zhí)行。圖3為系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖。圖4為系統(tǒng)軟硬件原理圖。?

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??? 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集中斷程序Temp_Sampling_Task(void)(上接第40頁)?

如下：?

??? Void Temp_Sampling_Task()?

??? {?

? ? ??#if OS_CRITICAL_METHOD==3?

??????? ??OS_CPU_SR cpu_sr；?

??? ? #endif?

??? ? int temp；?

??? ? for(；；)?

???????{?

??????? temp=Temp_Sample()；?

??????? if(QueueWrite((void*)QueueBuf，temp)==QUEUE_FULL)?

??????????? OSTimeDly(4)；?

??? ??? }?

??? }?

??? 采集中斷程序中用OSTimeDly()函數(shù)實(shí)現(xiàn)２個(gè)節(jié)拍延時(shí)，即系統(tǒng)每隔4×0.5=2ms執(zhí)行一次任務(wù)，這就保證了每2ms采集一次PH值、DO值的采樣速率。?

??? 針對(duì)時(shí)變、非線性、不確定性、多變量的生物發(fā)酵過程，采用ARM嵌入式處理器S3C44B0X實(shí)現(xiàn)生物發(fā)酵智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅可以減少外設(shè)，而且提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。采用模糊控制算法，解決了傳統(tǒng)控制方法不易得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，難于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足。同時(shí)，通過移植μC/OS-II操作系統(tǒng)，大大方便了編程，縮短了軟件的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效率。實(shí)踐證明，系統(tǒng)能夠滿足整體性能要求，達(dá)到良好的控制效果。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)：基于ARM微處理器與μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2002.?

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