摘要：基于ARM9系列的S3C2410處理器，結合嵌入式linux操作系統(tǒng)，完成硬件驅動程序和模糊自整定PID控制算法的設計，實現全自動生化分析儀反應池溫度的高精度控制。運行結果表明，所設計的控制系統(tǒng)具有響應快，穩(wěn)定性、實時性好等優(yōu)點。實現了一種應用于全自動生化分析儀的高精度溫度控制系統(tǒng)。
1 引言
ARM9越來越廣泛的應用于各種生物電子儀器中，全自動生化分析儀是一個典型的應用。生化分析儀檢測分析過程中溫度對檢測結果具有很大的影響，被檢樣品和試劑只有在指定的溫度下檢測才能保證生化檢驗結果的可靠性。生化分析儀的溫控系統(tǒng)往往具有非線性、時滯性等特點，應用常規(guī)PID控制達不到理想的效果。本系統(tǒng)以ARM9處理器作為控制系統(tǒng)核心，實現模糊自整定PID控制算法。經測試，該系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，響應快，反應盤控溫于現行的標準檢測溫度37℃，控溫精度為土0.1℃，顯示精度為±0．01℃，完全滿足臨床使用要求。
2 系統(tǒng)總體設計及主要硬件實現
2.1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由測溫器件、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。測溫器件負責溫度的采集，在本系統(tǒng)由DS1 8B20溫度傳感器構成。整個系統(tǒng)工作過程是先由鍵盤設定溫度值，ARM 控制器控制溫度傳感器采集溫度信號，經過模糊PID 控制模塊運算，輸出PwM 波控制功率驅動模塊，實現對溫度的加熱和制冷控制，同時通過LCD顯示溫度。
2．2 控制器S3C2410
S3C2410A是由Samsung Electronics Co．，Ltd為手持設備設計的低功耗、高度集成的，基于ARM920T內核16／32RISC嵌入式處理器，運行頻率可達203MHz， 獨立的16k指令和16kB數據的緩存(Cache)，虛擬內存管理的MMU單元，LCD控制器(STN&TFT)，非線性(NAND)FLASH的引導單元系統(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，實時時鐘單元(RTC)，帶有觸摸屏接口的8個通道10bitADC，IIC總線接口，IIS總線接口，USB的主機(host)元，USB的設備(Device)接口，2個通道的SPI接口和鎖相環(huán)(PLL)時鐘發(fā)生單元。
本系統(tǒng)設計采用32位RISC嵌入式處理器工作模式，采用NAND FLASH啟動方式。NAND FLASH存儲器擴展選擇三星電子公司生產的K9F1208，單片容量為64MX 8bit(64M字節(jié))，工作電壓2．7～3．6V，8位數據寬度，帶有硬件數據保護功能，支持上電自動引導功能。系統(tǒng)中SDRAM 選用HY57V561620T，單片存儲容量為4組x4Mxl6位(32M字節(jié))，工作電壓為(3．3±0．3)V，16位數據寬度。根據系統(tǒng)需要和充分發(fā)揮32位CPU的數據處理能力，本系統(tǒng)選用兩片HY57V561620T并聯構建32位SDRAM存儲器系統(tǒng)，共64MB的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種相對復雜的功能運行要求。
2．3 溫度采集單元的實現
溫度采集單元主要溫度信號的實時采樣并響應主機的命令[31。本系統(tǒng)溫度傳感器使用DS1 8B20，DS1 8B28B20是美國半導體DALLAS公司推出的單總線溫度傳感器。該器件具有體積小、結構簡單、實用電壓寬、可組網、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點，而且內有控制電路，收發(fā)電路和存儲電路等。DS18B20 具有較寬的電壓適用范圍(3～5．5V)，并能夠通過編程實現溫度信號的9～12位的數字轉換，分辨率最高可以達到0．0625℃。其測量溫度范圍為-55～+125℃，其中，在-10～+85℃范圍內，精度能夠達到±0．5℃。器件采用CMOS技術，耗電量很小，能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現一位分辨率的數字值讀數方式。使用微處理器作為控制機時，可以使用一位普通端口，就可驅動傳感器芯片，本系統(tǒng)采用GPB7引腳來驅動DS18B20。由于DS1 8B20是通過一條數據線傳輸數據， 這樣整個系統(tǒng)要嚴格按該器件單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作， 所以DS 1 8B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各個數據傳輸的正確性和完整性。根據DS 1 8B20的通訊協(xié)議，主機控制DS 1 8B20完成溫度轉換時，首先在每一次讀寫之前對DS1 8B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，然后發(fā)送RAM 指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。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】構成矩陣鍵盤，同時在芯片內部可自動完成掃描、譯碼、去抖動處理等任務。
S3C2410A內部已經集成了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的觸摸屏驅動電路連接，觸摸位置直接用CPU內置的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控制算法模塊設計
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、延遲和干擾等因素進行檢測分析，采用模糊推理的方法實現PID三個參數 、 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、魯棒性較強等特點，而且具有更大的靈活性、適應性、精確性等特性。
模糊自整定PID控制器是在常規(guī)PID控制器的基礎上建立參數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)函數關系的控制器。二元函數關系為 ]： = ( ，J j)， = 0 ，J )，K = ( JEc})。模糊自整定PID控制器根據不同的 、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分別如圖3所示。
對于圖3中 的隸屬度，當n=p時，a，b分別取一0．3，0．3；當n=i時，a，b分別取一0．06，0．06；當n=d時，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 ，K 和 。采用七種不同的模糊語言變量進行描述：負小(NS)、負中(NM)、負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PID控制的基本原理，結合實際經驗，設計模糊控制表如表1所示。
4 系統(tǒng)軟件設計
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BootLoader，初始化系統(tǒng)硬件，加載操作系統(tǒng)，將系統(tǒng)帶人一個合適的環(huán)境。完成系統(tǒng)引導加載后新建一系列線程，包括溫度數據采集線程、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。完成以上工作以后進入主進程，主進程完成的主要工作是：利用S3C2410讀入的采樣數據，計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，結束應用程序。
采用重心法對經模糊控制規(guī)則表所得的 、 和進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，設計并實現了生化分析儀中的一種高精度溫度控制器。通過模糊自整定PID控制算法提高了系統(tǒng)的響應速度和控制精度。結果證明，該系統(tǒng)能很好地實現對生化分析儀反應池的溫度控制在需要范圍內，從而有效地提高了生化分析儀的檢測精度和準確度。