基于ARM9的高精度生化分析儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.3 溫度采集單元的實(shí)現(xiàn)

　　溫度采集單元主要溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣并響應(yīng)主機(jī)的命令[31。本系統(tǒng)溫度傳感器使用DS1 8B20，DS1 8B28B20是美國半導(dǎo)體DALLAS公司推出的單總線溫度傳感器。該器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用電壓寬、可組網(wǎng)、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且內(nèi)有控制電路，收發(fā)電路和存儲(chǔ)電路等。DS18B20 具有較寬的電壓適用范圍（3～5.5V），并能夠通過編程實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的9～12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換，分辨率最高可以達(dá)到0.0625℃。其測量溫度范圍為-55～+125℃，其中，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度能夠達(dá)到±0.5℃。由于DS1 8B20是通過一條數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)， 這樣整個(gè)系統(tǒng)要嚴(yán)格按該器件單總線協(xié)議規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行工作， 所以DS 1 8B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。根據(jù)DS 1 8B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS 1 8B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，首先在每一次讀寫之前對DS1 8B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，然后發(fā)送RAM 指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。R O M 操作命令主要是對傳感器地址的操作。RAM 指令主要完成溫度的測量，主要有讀寄存器，寫寄存器，溫度轉(zhuǎn)換等操作。

　　2.4 鍵盤及LCD顯示單元

　　系統(tǒng)采用SPI接口的鍵盤控制芯片ZLG 72 8與$3C2410A的SPI接口連接，ZLG7289掃描的行線R[2：0】和列線C[7：0】構(gòu)成矩陣鍵盤，同時(shí)在芯片內(nèi)部可自動(dòng)完成掃描、譯碼、去抖動(dòng)處理等任務(wù)。

　　SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。SPI有三個(gè)寄存器分別為：控制寄存器SPCR，狀態(tài)寄存器SPSR，數(shù)據(jù)寄存器SPDR。外圍設(shè)置FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCLK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT、有的SPI接口芯片沒有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI）。

　　SPI接口的全稱是"Serial Peripheral Interface",意為串行外圍接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM,FLASH,實(shí)時(shí)時(shí)鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。

　　SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps。

　　S3C2410A內(nèi)部已經(jīng)集成了LCD 控制器，因此可以很方便地控制各種類型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。系統(tǒng)采用Samsung 3.5 反射型TFT液晶LTS350Q1，320 X 240像素，256k色，White LED背光，自帶四線式觸摸屏，可以直接和S3C2410A的觸摸屏驅(qū)動(dòng)電路連接，觸摸位置直接用CPU內(nèi)置的ADC電路采樣可得。

　　鍵盤和LCD連接示意圖如圖2所示。

　　3 模糊自整定PID控制算法模塊設(shè)計(jì)

　　模糊自整定PID控制系統(tǒng)能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析，采用模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)PID三個(gè)參數(shù) 、 f和 的在線自整定。模糊自整定PID控制不僅保持了常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)等特點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性、精確性等特性。

　　模糊自整定PID控制器是在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上建立參數(shù)K ，K ，K 與偏差絕對值IE I和偏差變化率

　　絕對值lecI問的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系的控制器。二元函數(shù)關(guān)系為 ]： = （ ，J j）， = 0 ，J ），K = （ JEc}）。模糊自整定PID控制器根據(jù)不同的 、IEcI在線自整定K， K 和Kd。

　　取輸入偏差、偏差變化率和輸出隸屬度函數(shù)分別如圖3所示。

　　對于圖3中 的隸屬度，當(dāng)n=p時(shí)，a，b分別取一0.3，0.3；當(dāng)n=i時(shí)，a，b分別取一0.06，0.06；當(dāng)n=d時(shí)，a，b分別取一3，3。

　　模糊一PID控制系統(tǒng)為雙輸人三輸出系統(tǒng)，輸入量為偏差E和偏差變化率EC，輸出量為PID參數(shù) ，K 和 。采用七種不同的模糊語言變量進(jìn)行描述：負(fù)小（NS）、負(fù)中（NM）、負(fù)3v（NB）、零（Z）、正小（Ps）、正中（PM）、正大（PB），控制規(guī)則取為：if E and EC then K ，K， ，根據(jù)PID控制的基本原理，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模糊控制表如表1所示。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)主要流程如圖4所示。系統(tǒng)上電啟動(dòng)BootLoader，初始化系統(tǒng)硬件，加載操作系統(tǒng)，將系統(tǒng)帶人一個(gè)合適的環(huán)境。完成系統(tǒng)引導(dǎo)加載后新建一系列線程，包括溫度數(shù)據(jù)采集線程、模糊自整定控制算法線程、輸出線程，并且新建線程之間的通信管道FIFO?？赏ㄟ^鍵盤并利用外部中斷來控制是否停止采樣，如果停止采樣則合并線程，結(jié)束應(yīng)用程序。

　　采用重心法對經(jīng)模糊控制規(guī)則表所得的 、 和進(jìn)行反模糊化處理得到精確的值，再將這些值代入如下公式

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)選用高性能ARM9系列處理器S3C2420以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)，溫度傳感器采用基于目前最流行的單總線溫度傳感器DS 1 8B20，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了生化分析儀中的一種高精度溫度控制器。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對生化分析儀反應(yīng)池的溫度控制在需要范圍內(nèi)，從而有效地提高了生化分析儀的檢測精度和準(zhǔn)確度。

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