（仪器科学与技术专业论文）微型生化分析仪控制系统的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 生化分析仪是一种集光、机、电于一体的医疗临床检测设备，主要用于临床 检验人体体液中的各种生化指标。随着科学技术和人类社会的不断发展，检测快 速、操作简单直观、携带方便的微小型生化分析仪是近年来一个重要的发展方向。 该仪器的进样、温度的精确控制系统是微小型生化分析仪研制的重要组成部分。 本论文在国家“8 6 3 ”项目“微型实用化生化分析仪研究”的资助下，围绕微型生 化分析仪的进样系统和恒温系统等控制进行了研究，以p h i l i p s 公司的l p c 2 11 4 微 处理器为核心，搭建了整个控制系统的硬件平台：结合嵌入式操作系统g c o s i i ， 完成了控制系统软件的编写；在了解模糊控制与p i d 控制原理的基础上，提出了 适用于本控制系统的模糊p i d 控制方式，以期提高系统控制的精度和速度。 本论文的主要研究工作是： 1 、在查阅大量文献的基础上，分析研究了生化分析仪控制系统的发展现状与 趋势，提出了控制系统的总体方案； 2 、分析了解了微型生化分析仪恒温系统和进样系统的特点和要求，提出了一 种适用于本系统的控制方案，完成了恒温样品室结构设计，并搭建了控制电路， 完成了控制软件； 3 、研究了a r m 体系结构，在此基础上进行了以l p c 2 1 1 4 微处理器为核心的 控制平台的设计，并进行了电路p c b 板的绘制和制作，完成了g c o s i i 操作系统 在a r m 平台上的移植，搭建了微型生化分析仪控制系统的软硬件平台； 4 、在分析模糊控制技术和p i d 控制技术的基础上，结合两种控制技术的优点， 提出了一种适用于本系统的模糊一p i d 控制方案，提高了控制的精度和速度，并研 究了相应的控制算法； 5 、对研制出的微型生化分析仪控制系统的实验板进行了调试和实验测试，并 对测试结果进行了误差分析。 关键词：a r m ，实时操作系统，信号采集，模糊p i d 控制 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t 1 1 1 eb i o c h e m i c a la n a l y z e ri sa ni n s t r u m e n t i n c l u d i n go p t i c s ，m e c h a n i c sa n d e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i ti su s e di nt h ed e t e c t i o no fv a r i o u sb i o c h e m i c a li n d e x e so f b o d yf l u i d a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em i c r o b i o c h e m i c a la n a l y z e rw i t hf a s td e t e c t i o n ，e a s yo p e r a t i o na n dp o r t a b l eh a sb e c o m ea n i m p o r t a n td i r e c t i o n o fd e v e l o p m e n ti nr e c e n t y e a r s t h es a m p l i n ga n dp r e c i s e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s a l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h er e s e a r c ho fam i c r o b i o c h e m i c a la n a l y z e r u n d e rt h es u p p o r to f n a t i o n a l8 6 3p r o j e c to f r s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yo fm i c r o p r a c t i c a lb i o c h e m i c a la n a l y z e r ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h es a m p l i n g s y s t e ma n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e mf o rt h em i c r oc h e m i c a la n a l y z e r t h e h a r d w a r ep l a t f o r mi ss e t t e du pf o rt h ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nt h el p c 2 11 4 m i c r o p r o c e s s o rp r o d u c e db yp h i l i p sc o r p e r a t i o n t h es o f t w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi s o p e r a t i n gu p o nt h ee m b e d e do p e r a t i o ns y s t e mo fp c o s i i f u z z y - p i dc o n t r o lm e t h o d i sp r e s e n t e du p o nt h ep r i n c i p l eo fp i da n df u s s yc o n t r o l l i n g , s ot h a tt h ep r e c i s i o na n d s p e e do f t h es y s t e mi si m p r o v e dg r e a t l y t h ep r i m a r yc o v e r a g ei sl i s t e da sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do nh a v i n gl o o k e du pl a r g ea m o u n to fd o c u m e n ta n dh a v i n ga n a l y s e dt h e d e v e l o p i n gt r e n do fb i o c h e m i c a la n a l y z e ra n de m b e d d e ds y s t e m ，d e s i g n e dan e w s t r u c t u r eo f s a m p l er o o ma n dp r o p o s e dt h ec o n t r o ls y s t e mo v e r a l lp l a n 2 t h o r o u g h l ys t u d i e dt h ea r ms y s t e ms t r u c t u r e ，c o m p l e t e di nd e s i 曲t h em a i n c o n t r o lc i r c u i tb o a r da n dt h eo u t p u tc i r c u i tb o a r d ，a n dh a sb u i l tt h eb i o c h e m i c a la n a l y z e r c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m 3 h a v ea c c o m p l i s h e dt h ep c o s i io st r a n s p l a n t i n go na r m 7p l a t f o r m a n d c o m p l i l e de a c hd u t ys o f t w a r ep r o c e d u r e 4 b a s e do ns t u d i e dt h ef u z z yc o n t r o la n dt h ep i dc o n t r o lt e c h n o l o g y , p r o p o s e da f u z z y p i dc o n t r o lt e c h n o l o g y 5 b a s e do i ld e b u g g i n gt h es y s t e m ，t e s t e dt h ec a p a b i l i t yp a r a m e t e ra n dc a r r i e do n t h ee r r o ra n a l y s i st ot h et e s tr e s u l t k e y w o r d s ：a r m ，r t o s ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，f u z z y - p i dc o n t r o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：l 髫袁每千签字日期：唧年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：靠最冲 签字日期：呷年月年日 翩签名：让去佘 签字日期：c h 旬年占月眵日 f 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ，l 引言 生化分析仪( b i o c h e m i c a la n a l y z e r ) 是一种基于分光光度法原理的临床生化分 析仪器。是医疗检测机构最常用的分析仪器之一。 近年来，随着科学技术和人类社会的不断发展，特别是人们对野外环境监测 和快速现场检测的需要，微型化和便携化逐渐成为了生化分析仪的一个重要的发 展方向。而作为微型生化分析仪器，其对样品迸样控制和温度控制的精度和速度 提出了更高的要求，因此，对微型生化分析仪控制系统的研制就成为了微型生化 分析仪开发的一个核心内容之一。 本章简要的介绍了生化分析仪控制技术的国内外发展概况，并结合其发展趋 势，提出了本课题研究的内容和意义。 1 2 国内外研究现状与趋势 随着检验医学的发展，临床检验在医学诊断过程中所起的作用也越来越重要， 但是由于传统的人工操作检测速度慢，测试结果容易受人为因素影响，无法提供 准确的诊断数据，这就极大的促进了自动化分析仪器的发展。世界上第一台用于 临床生化检验的自动分析仪是美国泰克尼康( t e c h n i c o n ) 公司于1 9 5 7 年设计生产 的，仪器名为a u t oa n a l y z e r ，它是一台单通道、连续流动式自动分析仪，最初只 用于血葡萄糖、尿素氮测定，报告的结果是光密度( o d ) 值，此后世界上许多著名 的公司都相继研制成功了自己的全自动生化分析仪，如美国的贝尔曼公司、日本 的日立、岛津、德国的拜尔公司等等，这些公司的各种自动生化分析仪产品都已 经经历了几代的更新，在分析精度和检验速度方面都得到了不断的提高。 i s p m 是荷兰v i t a l 公司生产的一款典型且性能较好的半自动生化分析仪。 该机由微电脑控制，采用人机对话的方式，精确度高，灵敏性好，操作便捷，分 析速度快，具有试剂空白校正、定标、动态方法的线性检查等功能。它采用了流 动比色池方式测量样品。其结构是在一块1 0 m m 厚的金属块上，打一个约6 m m 的 孔，在孔两边固定上两块约为3 m m 厚的石英片。孔的靠两端处还打有两个小细孔， 用两个细金属管引出，一个为迸液管，一个为出液管。这样在泵的抽吸下，便可 以吸液。流动池部件中安装有加热冷却部件和温度传感器，用于控制流动池的温 度。 m i c r o l a b 3 0 0 型半自动生化分析仪是荷兰v i t a l 公司生产的另一款比较典型 的产品( 如图1 1 所示) 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1m i c r o l a b 3 0 0 型半自动生化分析仪 f i g 1 1m i c r o l a b 3 0 0s e m i a u t oc h e “m i s t r ya n a l y z e r 它的进样系统采用真空隔膜泵，体积小、重量轻、进样精度可达到l 肛l ，在液 路部分采用了带石英窗的金属结构流动比色池，测量体积仅需2 5 1 t l ，比色池设计 为涡状湍流冲洗6 0 度角进出液体，能达到减少污染和消除气泡的特殊功效，当样 品进样量为4 0 0 p 1 时交叉污染 0 5 。温控系统中采用了新型半导体致冷元件，体 积小、调温迅速，其温控精度在3 7 时达到了士o 2 c 。该型分析仪可用于血清、 血浆、尿液以及其它液体样品的分析，由于它体积较小，价格相对便宜，在中小 型医疗机构使用较多。 图1 2b a s i c 半自动生化分析仪 f i g 1 2 b a s i cs e m i a u t oc h e m i s t r ya n a l y z e r b a s i c 半自动生化分析仪( 如图1 2 所示) 由法国西克曼( s e c o m a n l ) 公司制 造，作为世界著名的分光光度计制造商的最新产品，它集合了众多先进的生化分 析仪的制造技术。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 b a s i c 半自动生化分析仪的液路系统中采用了测量体积为3 2 u l 的带石英窗的 陶瓷结构流动比色池，由高精度蠕动泵驱动进样，其温控系统采用半导体致冷元 件，温度可设定室温、2 5 、3 0 、3 7 四档，温控精度可以达到士o 3 。 我国l 临床检验分析仪器的研制开发起步较晚，基本是从2 0 世纪7 0 年代开始 引进并试制。到了8 0 年代中期进入了快速发展阶段，国内有了几十家从事生化分 析仪开发和制造的科研机构和生产厂家，经过几十年的发展，国内生化分析仪的 开发和制造水平已经有了突破性的进展。 作为国内最大的半自动生化分析仪制造商，山东高密彩虹分析仪器有限公司 在2 0 0 5 年推出了一款最新产品g f d 8 0 0 型半自动生化分析仪。该仪器是针对 国内各级医院的实际情况而专门设计生产的多功能半自动生化分析仪。仪器主要 由生化分析仪主机与电脑主机两大部分组成。其液路中使用了特别设计的容积为 3 2 9 l 的带石英光窗的石英黑体结构流动比色池，通过特殊的处理工艺，有效的降 低了气泡的产生和样品间交叉污染。在温控系统中，采用了新型半导体致冷器件， 利用固体干式浴的恒温方式对比色池进行温度控制，整个温控系统结构简单，可 实现2 5 、3 0 、3 7 的恒温控制，温控精度达到了士0 5 。 2 0 0 3 年7 月深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司推出了中国第一台完全拥有 自主知识产权的全自动生化分析仪b s 一3 0 0 全自动生化分析仪( 如图1 3 所示) 。 图1 3b s 一3 0 0 型全自动生化分析仪 f i g 1 3b s 一3 0 0a u t o m a t e dc h e m i s t r ya n a l y z e r 它每小时可完成3 0 0 个测试，每个标本可同时测定5 0 个项目，反应测试体积 低至1 8 0 1 a l ，试剂全开放，还具有测试精度高、交叉污染低等优点。b s 一3 0 0 全自动 生化分析仪在温度控制系统中运用包容式恒温池技术，具有升温速度快，温度恒 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 定的特点，温度波动度 4 - 0 1 。而且免维护。b s 一3 0 0 生化分析仪的加样系统不仅 采用了合理的液路设计和连接技术；液面检测技术和随量跟踪技术等，还采用比 较先进的加工技术，将样本试剂针内外壁抛光，使得进样量在3 0 1 时的加样精度满 足了士2 的要求，针携带污染率 o 1 。 随着微电子技术与计算机技术的发展，生化分析仪在野外战场和环境监测中 的应用得以实现。通过对国内外现状的研究我们不难发现，目前生化分析仪控制 系统有如下特点： 在进样系统中采用高精度进样装置，在液路中采用微量比色皿，提高样品 进样精度和可靠性，减少试剂消耗量，降低测试成本。 采用新型半导体致冷器件与固体干式浴温控系统，实现了结构的简化，缩 小了体积，与此同时，使用了先进的控制算法提高了温度控制的精度。 1 3 本文的研究意义与主要内容 微型化和智能化是生化分析仪的一个主要的发展方向，作为微型分析仪器， 其进样系统不仅要求体积小，还要求其能够对尽量少的样品进行快速准确的检测 和分析，因此，这就对进样系统的进样量和进样时间的精确控制提出了更高的要 求。同时，由于大多数生化检测和温度关系密切，在不同的温度条件下，对同一 病人的样品进行酶动力学测量时，测量结果不同。因此生化分析仪恒温系统控温 的准确度和温度控制的稳定性对测量结果的可靠性起到了决定性的作用。 本文以微型生化分析仪控制系统的研究与开发工作为重点，在国家“8 6 3 ”项目 “微型实用化生化分析仪研究”的资助下，对微型生化分析仪的进样系统和恒温系统 进行了设计，并以p h i l i p s 公司的l p c 2 11 4 为微处理器，搭建了整个控制系统的硬 件平台。同时，结合嵌入式操作系统i , t c o s i i ，完成了控制系统软件的编写。在 学习和了解了模糊控制与p i d 控制原理的基础上，提出了适用于本系统的模糊一p i d 控制方式，以提高控制的精度和速度。 本文的主要研究内容如下： 在查阅大量文献的基础上，分析研究生化分析仪控制系统的发展现状与趋 势，提出了控制系统的总体方案。进行了恒温系统和进样系统的设计： 1 ) 根据微型生化分析仪的要求，进行了恒温系统的研究，并设计了恒温样品 室的结构； 2 ) 在分析了大量实验数据的基础上，进行了进样系统的研究。 深入研究了a r m 体系结构，在此基础上完成了以l p c 2 1 1 4 微处理器为核 心的控制电路的设计，完成了控制平台的搭建，并绘制和制作了p c b 电路板，搭 建了整个生化分析仪控制系统的硬件平台； 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 研究了嵌入式实时操作系统t t c o s i i ，并完成了t t c o s i i 在a r m 平台 上的移植，完成了控制软件和系统任务的编写； 在学习了模糊控制技术和p i d 控制技术的基础上，分析并比较了两种控制 算法，并结合两者的优点，提出了一种适用于本系统的模糊- p i d 控制方案，计算 并编写了控制算法； 对研制出的微型生化分析仪控制系统的实验板进行了调试和实验测试，并 对测试结果进行了误差分析。 1 4 本章小结 本章介绍了生化分析仪控制系统的国内外发展现状与发展趋势，明确了微型 生化分析仪控制系统的研究目标和主要研究内容。 5 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 2 控制系统总体方案 2 1 引言 在本章中，我们结合微型生化分析仪控制系统的特点和功能的要求，对系统 结构采用了模块化设计方法，将控制系统分成数个功能模块分别进行设计，并分 别对各个功能模块的工作原理和要求进行了分析，确定了相应的结构设计方案及 实现方法，完成了微型生化分析仪控制系统的总体方案的设计。 2 2 控制系统的总体结构 微型生化分析仪控制系统主要由恒温系统、进样系统和基于a r m 的控制平台 几个部分构成。如图2 1 所示。 l 进样系统恒温系统 fl 基于a r m 的控制平台 图2 1 控制系统的总体结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f c o n t r o ls y s t e m 生化仪的进样系统一般由蠕动泵或真空泵和相应的管道组成，蠕动泵和真空 泵提供能使试剂在仪器内进行运动的压力，而对试剂使用量的精确控制则由控制 电路来完成。在温度控制方面，控制电路通过温度传感器将样品室温度进行实时 采集，通过比较和计算，得到一个控制值，来对半导体制冷器的工作状态进行控 制。而对整个系统的控制则是在基于a r m 的控制平台上来完成的。 2 3 恒温系统 由于大多数生化检验和温度关系密切，在不同的温度条件下，对同一病人的 样品进行酶动力学测量时，测量结果不同。因此生化分析仪恒温系统控温的准确 度对测量结果的可靠性至关重要。 为了保证测量精度，必须控制反应温度在某一定值，在本系统中，我们要求 可以对2 0 c - - 4 0 c 温度范围内任一温度值进行控制，并可根据需要任意选择。同时 温度控制的误差要小于士o 5 c 。另一方面，为了保证仪器整体性能，恒温系统的控 6 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 温稳定时间必须要短。就本系统来说，要求测试试剂进入样品室后须在3 分钟内 达到设定温度。 2 3 1 恒温系统的方案 整个恒温系统的方案如图2 2 所示。 温度传感器 a r m恒温样品室 半导体制冷器 图2 2 恒温系统控制方案 f i g 2 2s k e t c hm a po f t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 在本系统中，控制电路通过温度传感器对样品室的温度进行实时的采集，并 将采集的结果进行比较和计算，然后将控制信号输出给半导体制冷器，由它来对 样品室进行加温或者制冷。 2 3 2 半导体致冷器( t e c ) 半导体致冷器( t e e ) 是一种基于帕尔帖效应的电热转换装置，由于其体积小， 无机械转动部件和噪声，能加热和制冷，并且不需要使用制冷剂以及使用寿命长 的优点，在实验技术、医疗技术、航天航空、船舶等的温度控制领域得到了广泛 应用。其原理如图2 3 所示。 壤流魄添 图2 3 半导体制冷原理图 f i g 2 3p r i n c i p l eo f t e c 7 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 当接通直流电源时，电子由负极1 出发，首先经过p 型半导体，在此吸收热 量，到了n 型半导体，又将热量放出，每经过一个n p 模组，就有热量由一边被 送到另一边，即在2 、3 端的铜联结片上产生吸热现象，此端称为冷端；在l 、4 端的铜联结片上则产生放热现象，此端称为热端。若将电流方向反过来，则冷热 端将互换，这一点对于既需要升温又需要降温的应用场合非常有用。 在本系统中，我们将两片t e c 紧贴在样品室两侧的铝质外壳上，完成对样品 室的加温和制冷。我们选用了由海南北冰洋温差电公司生产的t e c l 1 7 0 4 s 型半导 体制冷片，该型号的t e c 由1 7 对电偶组成，允许通过的最大电流i m a x = 3 9 a ，最 大电压v m a x = 2 0 6 v ，室温下最大制冷温差t m a x = 7 0 c ，最大制冷量q m a x = 4 5 w ， 外形尺寸为1 5 m m x l 5 m m x 4 6 m m 。通过实验，我们最终确定驱动两片串联t e c 正 常工作所需的电压为3 v ，电流为3 a 。 2 3 3 温度传感器 在众多的温度检测温敏元件中，温敏电阻虽然成本低，但后续电路复杂，且 需要进行温度标定；电流型集成温度传感器a d 5 9 0 也因其输出为模拟信号，且输 出信号较弱故需后续放大及a d 转换电路，使得其可靠性相对较差，测量准确度 也有所下降。 本系统采用了美国d a l l a s 公司推出的单总线数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 作为样品室的温度信号采集器。d s l 8 8 2 0 具有体积小、结构简单、实用电压宽、 可组网、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。现场温度直接以“单总线” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合在恶劣环境的温度现场测量， 如：环境控制设备或过程控制、测温类消费电子产品等。d s l 8 8 2 0 具有3 引脚t o 一9 2 小体积封装形式；温度测量范围为5 5 + 1 2 5 ，在一l o + 8 5 范围内，精度 为士0 2 。c 。同时它可编程为9 位1 2 位a d 转换精度，测温分辨率可达0 0 6 2 5 ， 被测温度值用符号扩展的1 6 位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入， 也可采用寄生电源方式产生；多个d s l 8 8 2 0 可以并联到3 根或2 根线上，c p u 只 需一根端口线就能与诸多d s l 8 8 2 0 通信，占用微处理器的端口极少，可节省大量 的引线和逻辑电路。以上特点使d s l 8 8 2 0 非常适用于远距离多点温度检测系统。 d s l 8 8 2 0 内部结构如图2 4 所示，主要由6 4 位光刻r o m 、温度传感器、非 挥发的温度报警触发器t h 和t l 、配置寄存器组成。d s l 8 8 2 0 的管脚排列如图2 1 3 所示，d q 为数字信号输入输出端；g n d 为电源地；v d d 为外接供电电源输入端。 每个d s l 8 8 2 0 在出厂时都拥有一个全球唯一的6 4 位长的序号，该序号值存 放在d s l 8 8 2 0 内部的光刻r o m 中，其排列是：开始8 位( 2 8 h ) 是产品类型标 号，接着的4 8 位是该d s l 8 8 2 0 自身的序列号，最后8 位是前面5 6 位的循环冗余 8 重庆大学硕士学位论文 2 控制系统总体方案 校验码( c r c 码) 。由于序号的唯一性，因此，能够实现在一个总线上挂载多个 d s l 8 8 2 0 而组成传感器网络。 本系统中以l p c 2 1 1 4 的p 0 6 口作为单总线，与d s l 8 8 2 0 的d q 脚连接，通 过一个4 7 k 上拉电阻的d q 线来读取和发送信息，进行数据通信，外围电路十分 简单。 图2 4d s l 8 8 2 0 内部结构图 f i g 2 4s t r u c t u r e o f i n n e r d s l 8 8 2 0 图2 5d s l 8 8 2 0 外部封装图 f i g 2 5p a c k a g eo f d s l 8 8 2 0 9 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 2 3 4 温度控制算法 随着电子技术的发展，对温度控制的精度要求越来越高，因此，各种控制方 法应运而生，在工程技术领域，常用的温度控制算法有模糊控制、p i d 控制和人工 神经网络控制等，在这里，我们简要介绍了一下最常用的模糊控制和p i d 控制方 法，以及一种将两者相结合的模糊一p i d 算法。 模糊控制原理 模糊控制器( f u z z yc o n 呐1 l e r ) 也称为模糊逻辑控制器( f u z z yl o g i c c o n t r o l l e r ) ，由于其所采用的模糊控制规则是由模糊理论中的模糊条件句来描述 的，因此，模糊控制器是一种语言型控制器，故也称为模糊语言控制器( f u z z y l a n g u a g ec o n t r o l l e r ) 。 模糊控制器是以人的控制经验作为控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言 变量和模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具，利用计算机数字控制技术来实现 的一种智能控制器。把人的经验用模糊条件语句表示，然后用模糊集合理论对语 言变量进行量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控 制决策。这就是模糊控制器的工作过程。模糊控制器的基本结构如图2 6 所示【1 7 】。 图2 6 模糊控制器结构图 f i g 2 6s t r u c t u r eo f f u z z y - c o n t r o l l e r 模糊控制器主要由以下4 部分组成： 1 ) 模糊化 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其中输入量包括外界的参 考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体步骤过程如下： a 首先对这些输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量。 b 将已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围。 c 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成 模糊量，并用相应的模糊集合来表示。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 2 1 知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库 和模糊控制规则库两部分组成。 a 数据库主要包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间的 分级数等。 b 规则库包括了用模糊变量表示的一系列控制规则。它反映了控制专家的经 验和知识。 3 ) 模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 4 1 清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制的 精确量。它包含以下两部分内容： a 将模糊的控制量经清晰化变换成表示在论域范围的清晰量； b 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。 p i d 控制原理 p i d 控制是比例一积分一微分( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ) 控制的简称。其 原理框图如图2 7 所示。 图2 7 p i d 控制原理框图 f i g 2 7s n l l c n l l o f p i dc o n t r o l l e r 1 1 连续p i d 控制 连续p i d 控制器是一种线形控制器，它根据给定值r ( t ) 与实际输出值m ) 构成 控制偏差，将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线形组合构成控制量，对被控 对象进行控制，故称p i e ) 控制器。其控制规律为： p ( f ) = r ( f ) 一c ( f ) ( 2 1 a ) 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 砸蚓印) + 丽1 t - 半】 乃【e ( f ) 出 “ 或写成传递函数形式： g = 器+ k p ( 1 + 去+ s ) ) 式中足，为比例系数、乃为积分时间常数、为微分时间常数。 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： a 比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e ( t ) ，偏差一旦产生，控 制器立即产生控制作用，以减少偏差。 b 积分环节：主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱 取决于积分时间常数l ，越大，积分作用越弱，反之则越强。 c 微分环节：能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差信号值变 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减小调节时间。 2 ) 离散p i d 控制 计算机控制系统是一个离散控制系统，所以要使用离散p i d 模型。离散p i d 模型可以在连续p i d 模型离散化的基础上得到。 j e ( t ) d t z r o z p ( f ) ( 2 3 a ) a e ( t ) 。e ( k ) - e ( k - 1 ) 出 瓦 ( 2 3 b ) m m + + 毒+ 蒜 ， 或 t 砧( 七) = k ，p ( 后) + 足，已( j ) + 足。 e ( 足) - e ( k - o j = o 式中k 为采样序号，u ( k ) 为第k 次采样时刻的计算输出值， 时刻输入偏差值，e ( k - 1 ) 为第k 一1 次采样时刻输入偏差值。 ( 2 5 ) 。( k ) 为第k 次采样 重庆大学硕士学位论文 2 控制系统总体方案 其中k ，为积分常数，k ，= k ，r 乃 置d 为微分常数，k d = k p l o t 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 被称为位置式p i d 算式。在应用中还广泛使用增量式p i d 算 式，在这种情况下计算机输出增量a u ( k ) 。 a u ( k ) = “( 七) 一u ( k 1 ) = k p a e ( k ) + k g ( | ) + k d 【8 ( 七) 一a e ( k 1 ) j ( 2 6 ) 式中a e ( k ) = “后) 一p ( j | 一1 ) 在离散p i d 算式的选择上，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要 求高的系统中，可采用位置控制算式，而在步进电机或电动阀门作为执行器的系 统中，则可采用增量控制算式【2 6 】【2 7 1 。 模糊一p i d 控制原理 在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常 采用二维模糊控制器结构形式。而这类控制器都是以系统误差e 和误差变化量e c 为输入语句变量，因此它具有类似于常规p d 控制器的作用，采用该类模糊控制器 的系统有可能获得良好的动态特性，而静态性却不能令人满意。由线性控制理论 可知，积分控制作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用动态响应快， 而比例积分控制作用既能获得较高的稳态精度，又能具有较高的动态响应。因此， 把p i 控制策略引入f u z z y 控制器，构成f u z z y - p i d 复合控制，是改善模糊控制器 稳态性能的一种途型2 2 1 【2 3 】【2 4 】【2 5 】。 f u z z y - p i d 控制策略基本控制思想是在大偏差范围内采用f u z z y 控制，在小偏 差范围内转换成p i d 控制，两者的转换由控制软件根据事先给定的偏差范围自动 实现。f u z z y - p 1 d 控制比p i d 控制有更快的动态响应，更小的超调，它比模糊控制 具有更高的稳态精度。 一个典型的f u z z y - p i d 混合控制框图如图2 8 所示。 图2 8f u z z y + p i d 控制原理框图 f i g 2 8s t r u c t u r e o f f u z z y a d d p i dc o n t r o l l e r 1 3 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 系统运行时，通过系统温度偏差与设定的标准值之间的关系来对转换开关进 行控制。在本论文中，我们将偏差值设为l ，当偏差值大于l 的标准值时采用 模糊控制策略，当偏差在( 一1 ，1 ) 之间时切换为p i d 控制。 2 4 进样系统 作为生化分析仪的重要组成部分，进样是整个生化分析仪分析的前提。无论 是分析前，还是在分析过程中，进样系统和样品室的状态都将直接或间接的影响 到仪器的使用性能。样品室中是否有气泡、进样量是否适量、样品是否被污染将 直接关系着实验测量结果的真实性、准确性以及仪器的测试成本。样品室中的气 泡会增大样品的吸光度从而影响到实验结果。进样量不仅直接决定了仪器的测试 成本，也影响着仪器的交叉污染率，进而对测试结果的准确性产生影响。 本文采用了连续流动式进样系统来作为微型生化分析仪的进样方式，该系统 结构简单，性能可靠，通过简单的驱动电路就能实现进样的程序控制，适合在微 小型仪器上使用，在半自动生化分析仪上大多采用连续流动式进样系统。 传统的半自动生化仪的进样系统通常采用蠕动泵或真空泵为驱动。蠕动泵便 于控制，进样精度较高，但同时，蠕动泵体积大、价格高，难以应用在微型分析 仪器上。微型真空泵体积小、重量轻，可以通过调节驱动电压的大小及加电压时 间来控制流速与进样量，便于控制。因此我们在系统中采用了微型真空泵作为进 样系统的驱动装置。 通过以上分析，我们确定了微型生化分析仪进样系统的初步方案，即以采用 微型真空泵为驱动装置的连续流动式进样系统，系统的基本结构如图2 9 所示。 图2 9 进样系统结构示意图 f i g 2 9s k e t c hm a po f s a m p l i n gs y s t e m 在电路上，我们将为控制器的一个g p i o 信号输出口连接到继电器，来对微泵 的工作状态进行控制，同时，通过另一个g p i o 接口，输入外部中断信号，并对中 断信号进行判断和响应，以此来完成对整个样品进样的控制。进样系统的控制方 案如图2 1 0 所示。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 l 雠帔键卜 a r m 图2 1 0 恒温系统控制方案 f i g 2 1 0s k e t c hm a po f s a m p l i a gs y s t e m 2 5 基于a r m 的控制平台 基于a r m 的控制平台是整个控制系统的核心，而整个平台的搭建则主要包含 硬件和软件两个层面。接下来，我们将从硬件和软件平台这两个方面来进行讨论。 2 5 1 硬件平台 p h i l i p s 公司生产的l p c 2 1 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i sc p u 的微控制器，并带有1 2 8 k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器。 1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运 行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过 3 0 ，而性能的损失却很小【1 3 l 。 由于l p c 2 1 1 4 较小的6 4 和1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路1 0 位a d c 或8 路1 0 位a d c ( 6 4 脚和1 4 4 脚封装) 以及多达9 个外部中断使 它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和p o s 机。因此，本论文选用 l p c 2 1 1 4 微处理器作为整个控制系统的主芯片，并以此来搭建系统的硬件平台。 l p c 2 1 1 4 比较重要的特性和片内外围功能模块包括： 1 ) 1 6 k 字节静态r a m 。 2 ) 1 2 8 位宽度接口力速器实现高达6 0 m h z 的操作频率。 3 1 外部8 、1 6 或3 2 位总线( 1 4 4 脚封装) 。 4 ) 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( 1 a p ) 。 5 ) e m b e d d e d l c e r t 接1 2 1 使能断点和观察点。 6 1 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 7 ) 4 8 路( 6 4 1 4 4 脚封装) 1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 u s 。 8 ) 2 个3 2 位定时器、p w m 单元、实时时钟和看门狗。 9 ) 多个串行接口，包括2 个u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 1 0 ) 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 1 5 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 1 1 ) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 1 2 ) 片内晶振频率范围：1 3 0 m h z 。 1 3 ) 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 1 4 ) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 1 5 ) 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 图2 1 1l p c 2 1 1 4 管脚定义 f i g 2 1 1l p c 2 1 1 4 p i n s l p c 2 1 1 4 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i sc p u 、与片内存储器控制器接口 的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内 外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r ma m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 1 1 4 将 a r m 7 t d m i - s 配置为小端( 1 i u l e - e n d i a n ) 字节顺序。 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空问的最 顶端。每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 1 1 4 的外设功能( 中断 控制器除外) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相 连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外 设在v p b 地址空间内都分配了1 6 k 字节地址空间。 1 6 ，聋l，-ifs譬r_e；etiolrl#g 重庆大学硕士学位论文2 控制系统总体方案 片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控 制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。 2 5 2 软件平台 在本系统的恒温控制中，我们需要对温度信号进行实时的采集和计算，并对 半导体制冷器的工作状态进行控制。因此，使用一个嵌入式操作系统来对各个工 作任务进行调度就显得非常的重要了。基于对系统实时性的要求，我们最终选用 i _ t c o s i i 作为我们的软件平台。 g c o s i i 是由美国人j e a nj l a b r