基于ARM9在高精度生化分析儀溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：基于ARM9系列的S3C2410處理器，結(jié)合嵌入式linux操作系統(tǒng)，完成硬件驅(qū)動(dòng)程序和模糊自整定PID控制算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生化分析儀反應(yīng)池溫度的高精度控制。運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有響應(yīng)快，穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于全自動(dòng)生化分析儀的高精度溫度控制系統(tǒng)。

1 引言
    ARM9越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各種生物電子儀器中，全自動(dòng)生化分析儀是一個(gè)典型的應(yīng)用。生化分析儀檢測(cè)分析過(guò)程中溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有很大的影響，被檢樣品和試劑只有在指定的溫度下檢測(cè)才能保證生化檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。生化分析儀的溫控系統(tǒng)往往具有非線(xiàn)性、時(shí)滯性等特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)PID控制達(dá)不到理想的效果。本系統(tǒng)以ARM9處理器作為控制系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)模糊自整定PID控制算法。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，反應(yīng)盤(pán)控溫于現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)溫度37℃，控溫精度為土0.1℃，顯示精度為±0．01℃，完全滿(mǎn)足臨床使用要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及主要硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由測(cè)溫器件、ARM控制器及顯示變送單元三部分組成。ARM控制器采用三星公司的S3C2410A。測(cè)溫器件負(fù)責(zé)溫度的采集，在本系統(tǒng)由DS1 8B20溫度傳感器構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)工作過(guò)程是先由鍵盤(pán)設(shè)定溫度值，ARM 控制器控制溫度傳感器采集溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)模糊PID 控制模塊運(yùn)算，輸出PwM 波控制功率驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的加熱和制冷控制，同時(shí)通過(guò)LCD顯示溫度。

2．2 控制器S3C2410

    S3C2410A是由Samsung Electronics Co．，Ltd為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的，基于ARM920T內(nèi)核16／32RISC嵌入式處理器，運(yùn)行頻率可達(dá)203MHz， 獨(dú)立的16k指令和16kB數(shù)據(jù)的緩存(Cache)，虛擬內(nèi)存管理的MMU單元，LCD控制器(STN&TFT)，非線(xiàn)性(NAND)FLASH的引導(dǎo)單元系統(tǒng)管理器(包括片選邏輯控制和SDRAM控制器)，3通道的異步串口(UART)，輸入輸出端口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元(RTC)，帶有觸摸屏接口的8個(gè)通道10bitADC，IIC總線(xiàn)接口，IIS總線(xiàn)接口，USB的主機(jī)(host)元，USB的設(shè)備(Device)接口，2個(gè)通道的SPI接口和鎖相環(huán)(PLL)時(shí)鐘發(fā)生單元。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用32位RISC嵌入式處理器工作模式，采用NAND FLASH啟動(dòng)方式。NAND FLASH存儲(chǔ)器擴(kuò)展選擇三星電子公司生產(chǎn)的K9F1208，單片容量為64MX 8bit(64M字節(jié))，工作電壓2．7～3．6V，8位數(shù)據(jù)寬度，帶有硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，支持上電自動(dòng)引導(dǎo)功能。系統(tǒng)中SDRAM 選用HY57V561620T，單片存儲(chǔ)容量為4組x4Mxl6位(32M字節(jié))，工作電壓為(3．3±0．3)V，16位數(shù)據(jù)寬度。根據(jù)系統(tǒng)需要和充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)選用兩片HY57V561620T并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共64MB的SDRAM空間，可滿(mǎn)足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對(duì)復(fù)雜的功能運(yùn)行要求。

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(guó)半導(dǎo)體DALLAS公司推出的單總線(xiàn)溫度傳感器。該器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用電壓寬、可組網(wǎng)、成本低廉、便于總線(xiàn)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(guò)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(cè)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℃。器件采用CMOS技術(shù)，耗電量很小，能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)一位分辨率的數(shù)字值讀數(shù)方式。使用微處理器作為控制機(jī)時(shí)，可以使用一位普通端口，就可驅(qū)動(dòng)傳感器芯片，本系統(tǒng)采用GPB7引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)DS18B20。由于DS1 8B20是通過(guò)一條數(shù)據(jù)線(xiàn)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(xiàn)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(lái)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(xiě)之前對(duì)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(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。R O M 操作命令主要是對(duì)傳感器地址的操作。RAM 指令主要完成溫度的測(cè)量，主要有讀寄存器，寫(xiě)寄存器，溫度轉(zhuǎn)換等操作。

2．4 鍵盤(pán)及LCD顯示單元
    系統(tǒng)采用SPI接口的鍵盤(pán)控制芯片ZLG 72 8與$3C2410A的SPI接口連接，ZLG7289掃描的行線(xiàn)R[2：0】和列線(xiàn)C[7：0】構(gòu)成矩陣鍵盤(pán)，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)。

    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(lèi)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(xiàn)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(pán)和LCD連接示意圖如圖2所示。

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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(guò)程中對(duì)不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測(cè)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(xiàn)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(jiǎn)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(duì)值IE I和偏差變化率
絕對(duì)值lecI問(wèn)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(xiàn)自整定K， K 和Kd。

   對(duì)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(yǔ)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。

 [!--empirenews.page--]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(xiàn)程，包括溫度數(shù)據(jù)采集線(xiàn)程、模糊自整定控制算法線(xiàn)程、輸出線(xiàn)程，并且新建線(xiàn)程之間的通信管道FIFO。完成以上工作以后進(jìn)入主進(jìn)程，主進(jìn)程完成的主要工作是：利用S3C2410讀入的采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算偏差和偏差的變化率，將偏差和偏差的變化率作為輸入量，再由模糊PID 自整定控制算法得出輸出控制量。可通過(guò)鍵盤(pán)并利用外部中斷來(lái)控制是否停止采樣，如果停止采樣則合并線(xiàn)程，結(jié)束應(yīng)用程序。

采用重心法對(duì)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(yǔ)
    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(xiàn)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。通過(guò)模糊自整定PID控制算法提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。結(jié)果證明，該系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)精度和準(zhǔn)確度。