基于ARM9的高生化分析儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ARM9的高生化分析儀溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)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)。

嵌入式Linux是以Linux為基礎(chǔ)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。Linux做嵌入式的優(yōu)勢(shì)，首先，Linux是開(kāi)放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布的眾多Linux愛(ài)好者又是Linux開(kāi)發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核只有約134KB。第三，Linux是的OS，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)，是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。移植的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)Java的開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)，Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中常用的TCP/IP協(xié)議有完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，Tokerring（令牌環(huán)網(wǎng)）、光纖甚至衛(wèi)星的支持。

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。本系統(tǒng)以ARM9處理器作為控制系統(tǒng)，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。

TI公司的OMAP730是的無(wú)線通信基帶信號(hào)處理器。該處理器是TI的GPRSClass12通信模塊與專(zhuān)用于應(yīng)用處理的ARM926通用處理器（GPP）的集成。由于GPP的速度可達(dá)200MHz，因此OMAP730具有兩倍于上一代OMAP710處理器的應(yīng)用處理性能。如同所有的OMAP處理器一樣，OMAP730可支持的移動(dòng)操作系統(tǒng)，其中包括Microsoft的智能電話與PocketPCPhoneEdition、SvmbianOS與Series60、PalmOS以及Linux。

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DS18B20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

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，TouchScreen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器可運(yùn)行在203MHz。

S3C2410A是由SamsungElectronicsCo.，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（STNTFT），非線性（NAND）FLASH的引導(dǎo)單元系統(tǒng)管理器，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總線接口，IIS總線接口，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NANDFLASH啟動(dòng)方式。NANDFLASH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64MX8bit（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。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DS18B20，DS18B28B20是美國(guó)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(jiǎn)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(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℃。由于DS18B20是通過(guò)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DS18B20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)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，首先在每讀寫(xiě)之前對(duì)DS18B20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。ROM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ZLG728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(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)。

SPI（SerialPeripheralInterface--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(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI）。

SPI接口的全稱(chēng)是"SerialPeripheralInterface",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(lái)說(shuō)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(lèi)型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。系統(tǒng)采用Samsung3.5反射型TFT液晶LTS350Q1，320X240像素，256k色，WhiteLED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(pán)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(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、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I(lǐng)EI和偏差變化率

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]：=（，Jj），=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(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)?。∟S）、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：ifEandECthenK，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^(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的單總線溫度傳感器DS18B20，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(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。

參考文獻(xiàn):

[1].S3C2410Adatasheet/datasheet/S3C2410A_589565.html.[