基于ARM9的高生化分析儀溫度控制系統設計

出處：劉克平，曹書權，李巖發(fā)布于：2011-07-12 12:46:16

　　摘要：基于ARM9系列的S3C2410處理器，結合嵌入式linux操作系統，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控制。運行結果表明，所設計的控制系統具有響應快，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溫度控制系統。

　　嵌入式 Linux是以Linux為基礎的嵌入式作業(yè)系統，它被廣泛應用在移動電話、個人數字助理（PDA）、媒體播放器、消費性電子產品以及航空航天等領域中。Linux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術，遍布的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強大技術支持；其次，Linux的內核小、效率高，內核的更速度很快，linux是可以定制的，其系統內核只有約134KB。第三，Linux是的OS，在價格上極具競爭力。 Linux還有著嵌入式操作系統所需要的很多特色，突出的就是Linux適應于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統。到目前為止，它可以支持二三十種CPU。移植的速度遠遠超過Java的開發(fā)環(huán)境。同時，Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，Linux對網絡中常用的TCP/IP協議有完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網絡，以及無線網絡，Toker ring（令牌環(huán)網）、光纖甚至衛(wèi)星的支持。

　　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。本系統以ARM9處理器作為控制系統，實現模糊自整定PID控制算法。經測試，該系統高，穩(wěn)定性好，響應快，反應盤控溫于現行的標準檢測溫度37℃，控溫為土0.1℃，顯示為±0.01℃，完全滿足臨床使用要求。

　　TI公司的OMAP730是的無線通信基帶信號處理器。該處理器是TI的GPRS Class 12通信模塊與專用于應用處理的ARM926通用處理器（GPP）的集成。由于GPP的速度可達200MHz，因此OMAP730具有兩倍于上一代OMAP710處理器的應用處理性能。如同所有的OMAP處理器一樣，OMAP730可支持的移動操作系統，其中包括Microsoft的智能電話與Pocket PC PhoneEdition、Svmbian OS與Series 60、Palm OS以及Linux。

　　2 系統總體設計及主要硬件實現

　　2.1 系統總體設計

　　系統結構如圖1所示。系統主要由測溫器件、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，在本系統由DS1 8B20溫度傳感器構成。整個系統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

　　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：獨立的16KB指令Cache和16KB數據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，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器可運行在203MHz。

　　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的引導單元系統管理器，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。根據系統需要和充分發(fā)揮32位CPU的數據處理能力，本系統選用兩片HY57V561620T并聯構建32位SDRAM存儲器系統，共64MB的SDRAM空間，可滿足嵌入式操作系統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，分辨率可以達到0.0625℃。其測量溫度范圍為-55～+125℃，其中，在-10～+85℃范圍內，能夠達到±0.5℃。由于DS1 8B20是通過一條數據線傳輸數據，這樣整個系統要嚴格按該器件單總線協議規(guī)定的時序進行工作，所以DS 1 8B20有嚴格的通信協議來保證各個數據傳輸的正確性和完整性。根據DS 1 8B20的通訊協議，主機控制DS 1 8B20完成溫度轉換時，首先在每讀寫之前對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。

　　SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設接口）總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。SPI有三個寄存器分別為：控制寄存器SPCR，狀態(tài)寄存器SPSR，數據寄存器SPDR。外圍設置FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線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接口主要應用在EEPROM,FLASH,實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間。

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

　　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、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IE I和偏差變化率

　　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控制系統為雙輸人三輸出系統，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?。∟S）、負中（NM）、負3v（NB）、零（Z）、正?。≒s）、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 系統軟件設計

　　軟件部分采用嵌入式Linux操作系統，系統主要流程如圖4所示。系統上電啟動BootLoader，初始化系統硬件，加載操作系統，將系統帶人一個合適的環(huán)境。完成系統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?？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的值，再將這些值代入如下公式

　　5 結束語

　　本系統選用高性能ARM9系列處理器S3C2420以及嵌入式Linux操作系統，溫度傳感器采用基于目前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溫度控制器。結果證明，該系統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和準確度。