（系统工程专业论文）嵌入式智能杂交生物仪的优化控制.pdf

华北电力人学硕十学倪论文摘要 摘要 本论文针对目的生物杂交实验过程中还不能实现全自动化的现状，设计了基于 智能控制技术和嵌入式操作系统的智能杂交实验仪。在实验温度控制上，详细分析 了多种控制方案的优缺点，在改进前人的控制算法基础上选取了改进的分阶段预补 偿p i d 控制技术，实现了温度的精确控制：从整个系统的需求出发，采用了比单片 机更稳定的l i n u x 操作系统，通过网络使得多人多机能够参与到实验中，更好的完 成了杂交实验，实现了全系统的优化：在软件开发时选用了基于a r m 9 的l i n u x 操 作系统作为实时内核和下位机软件开发环境，极大地方便了系统的扩展和维护。 关键词：智能控制，l i n u x 操作系统，自动杂交实验仪 a b s t r a c t t h i sp a p e ra i m e da tt h ec u r r e n ts t a t u so fb i o l o g ym a n u a le x p e r i m e n ta n dd e s i g n e d a n i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tb a s e do na d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g y a n dt h ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m o n t h ec o n t r o l s t r a t e g y o fl i q u i d t e m p e r a t u r e ，d e v o l e p i n g p r e c o m p e n s a t i o np i ds t r a t e g yw a sa d o p t e db a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k s c o n s i d e r i n g t h ew h o l es y s t e m ，w ea d a p tl i n u xo st h a ti ss t e a d yt h a nt h em c u i tc a nc o m p l e t et h e e x p e r i m e n tb ym a n yp e o p l ea n dm a n yp ct h r o u g ht h en e t t h es y s t e mu s e d l i n u x o p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea r m 9a st h er e a l - t i m ek e r n e la n dt h en e t h e ra p p l i c a t i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s oi t se a s yt oe x t e n da n dm a i n t a i nt h es y s t e m z h a oq i ( s y s t e me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ny o n g j u n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，a u t o - h y b r i d i z e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嵌入式智能杂交生物仪的优化 控制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期f h j ，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 4 i 包禽其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 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了谢意。 学位论文作者龇墨当日期：迦i ! 彩 关于学位论文使用授权的说明 小人完令了解华北电力大学夜关保尉、使用学位论文的规定，u 队学校有 权保锵、并向有关部门送交学位论文的坂件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或j e 它复制手段复制并保存学位论文：学校呵允许学位论文被查阅或借阅： 学捡i 叮以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不i - 4 方 式7 11 小同媒体j ：发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 泗j j 6 挞疆 日 期：坦：墨 一 ! 基b 电力厶2 ：熊 ：堂位论童 第一章引言 1 1 选题背景及意义1 1 l 现代生物技术即生物工程，是以重组d n a 技术和细胞融合技术为基础，包括 基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四大体系组成的现代高新技术。现代生 物技术信息、信息技术、新材料和新能源技术并列成为影日向国计民生的四大科学技 术支柱，是2 1 世纪高新技术产业的先导。生物工程的基础是生物试验。众所周知， 生物试验时间长，试验液体具有放射性，这些问题都给生物专家和研究人员带来了 很大的困难。这些问题对高度自动化的生物试验仪器的产生提出了强烈的要求。 杂交涧沈过程是很多生物实验都有的共同步骤，其过程往往比较烦琐费力，而 且耗时比较长，有的实验甚至长达几十个小时。到目前为止，还没有一种能实现杂 交实验全过程自动化的仪器，其原因主要有：一是实验温度控制比较困难，实验的 每步骤液体种类和体积都不一样，面对这样的非连续时变控制对象，普通的p 1 d 控制算法难于达到实验所要求的精度；二是实验液体体积比较小，般是5 至5 0 毫升，这么少的液体要实现送液换液的自动化有一定的难度。杂交润洗过程的步骤 通常有以下几个步骤： 设定温度x 。c ( 2 5 7 5 ) ，加入定量的预杂交液( 5 - 5 0 m 1 ) ，保持z 分钟( 1 0 1 2 0 分钟) 保持温度于x ( 2 5 7 5 ) ，彻底排净预杂交液，加入定量的杂交液( 有放射 性，5 - 5 0 m 1 ) ，保持z ( 1 2 4 ) 小时， 设定温度x l ( 2 5 7 5 ) ，彻底排净杂交液，加入定量的润沈液( 5 5 0 m 1 ) ， 保持z 1 分钟 设定温度x 2 ( 2 5 7 5 ) ，重复步骤n 次，n 和润洗液体种类及体积由操作 者决定 涧沈过程结束，报警提示 由此我们可以看出，生物杂交实验的漂洗过程中不但需要精确地控制反应液体 的温度和时f 、日j ，还要精确地控制其体积与种类。目 ； ，人们用一些半自动化的设备 来帮助技术人员完成杂交过程，这些常用到的半自动化仪器如下： 水浴锅：其基本的原理是，先把水浴锅罩的水加热到一定温度，然后再把实验所需 的液体和膜封装到一个盒子晕放到水浴锅中加热。水浴锅的底部放摇床，以保证在加 热时盒子中膜和液体能充分地接触。当实验完成后，为了防止反应物降解，水浴锅要保 持一定的温度和频率摇动。 一 生e ! u 左厶竺陋土堂i 立论塞 摇床：在电机的带动下以一定的频率摇动或振动，是水浴锅或其他设备的动力源。 p c r ( 聚合酶链式反应) 仪：分子实验中最常见的仪器，能够同时进行多个实验。 p c r 是美国的m u l l i s 于1 9 9 6 年发明的快速扩增d n a 的方法它可以在数小时内将目 的基因片段扩增到数百万个拷贝。它包括以下3 个反应步骤： 变性在9 4 9 5 时使膜板d n a 的双链性变成单链： 复性在5 0 7 0 。c 时两个引物分别与单链d n a 互补复性： 延伸 在弓l 物的引导及t 叫酶的作用下，于7 2 度下合成模板d n a 的互补链。 这3 个步骤称为一个循环，p c r 反应常有2 5 3 5 个循环。个循环完成后，待 扩增的基因扩增了一倍，新增加的基因又可作为模板用于下一步的扩增，所以，p c r 反应中扩增的基因是成指数级增长的。 从上面的原理我们可以看出p c r 仪基本的功能是温度程序控制。 杂交炉：在水浴锅的基础上改进而来，使用电吹风来加热滚筒，滚筒可以在电 机带动下转动，这样少量的液体就可以浸湿透紧贴在滚筒避上的反应膜，可以l 司时 进行4 个实验。 以上是杂交实验所用的基本仪器。这些仪器的共同缺点是不能够实现自动换 液，当某个步骤完成后必须由操作者手动换液，而且温度控制精度比较差，实验效 粱报难保证。整个杂交实验过程中，技术员必须时刻地注意某个步骤的反应是否结 束，有时候甚至要手动去晃动实验仪器以保证实验液体和反应膜能充分地接触反 避这要消耗一个生物科技工作者的大量宝贵时间。现代电子技术迅猛发展的今天 缺乏个全自动的杂交实验仪严重地阻碍着生物技术的发展。 我们所要做的工作就是开发种能实现整个杂交实验过程全自动化的设铸，让 f “人的生物科技工作者从烦琐的手工操作过程中解放出来，把更多的精力放在实验 结果的分析上。课题的研究将会带来巨火的经济效益，据资料报道，在美国生物实 验室t i ，每节省一个生物科技工作者的一个小时将会创造价值2 0 0 0 5 3 0 0 0 5 。生物科 技工作者要完成一个杂交实验，除去目的的半自动实验仪器能完成的部分工作量之 外，要亲自动手的工作最大约要花费数个小时到数十个小时不等。由此可见，我们 的工作是很有意义的。 从整个系统的角度考虑，单片机存在一定的局限性，如：与网络连接比较难， 内核不是十分稳定，执行速度相对较慢，内部资源较少，只能进行单人单机的) r 发 等。为了进一步升级，使得多人多机通过网络共同使用智能杂交生物仪。缩短实验 时t h j ，提高实验的稳定性。通过对整个杂交实验的综合规划，我们选用l i n u x 操作 系统作为系统内核，并选用a r m 芯片作为c p u ，使得复杂的杂交实验可以通过网 络i 扫多人合作完成，达到了全系统的优化控制。 2 垡e 坐左厶鲎砸：! ：兰位i 金塞 1 2 选题研究的内容 智能杂交实验仪的丌发涉及到以下几个领域的知识：机械、生物、自动化、计 算机、电子技术等，属于一种交叉课题，丌发者必须对这几个方面的知识都必须做 到比较深入的研究才可能开发成功。所以，我们要研究的主要内容有： ( 1 )学习生物杂交有关知识，熟悉杂交实验的过程。 ( 2 ) 学习硬件电路板的设计和p r o t e l 软件的使用，完成杂交实验仪的电路板设计。 ( 3 )学习l i n u x 环境下的编程和a r m 9 基本原理，以及串行通信原理，完成杂交 实验仪的软件丌发。 ( 4 )研究嵌入式实时操作系统的内核实现原理，实现嵌入式操作系统l i n u x 在 a r m 9 芯片上的移植，并编写l i n u x 下的硬件设备驱动程序。 ( 5 ) 学习m a t l a b 编程语言，研究实验被控对象的模型建立方法，获取被控对 象的数学模型。 ( 6 )从整个系统的角度考虑和检验被控对象的控制算法在被控对缘改变情况下 的改进。 ( 7 ) 完成杂交实验仪的机械结构设计。 1 3l i n u x 与嵌入式l i n u x 简介【2 h 3 】 l i n u x 是一个和u n i x 相似、以核心为撰础的、完全记忆体保护、多任务、多进 程的通用操作系统，支持广泛的计算机硬件，包括i n t e l ( x 8 6 兼容) 、a l p h a 、s p a r c 、 m i p s 、p p c 、a r m 、n e c 、m o t o r o l a 等现有的大部分芯片，内核源码全部公丌，可 以征g n u 通用公共许可i 1 正( g e n e r a l p u b l i c l i c e n s e ) t 对其修改并免费使用。这样，r 叮 以实现对操作系统底层的完全定制，实现自垂化，从根本上保证了系统的安全。l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的丌发工具，几乎所有的u n i x 系统的应h j 软件都已移植 到了l i n u x 上，为软件开发提供了强大的支持。 嵌入式l i n u x 就是经过小型化裁减与定制，占用几k 到几兆内存，无须复杂外 阑设备支持运行，应用于各种特定嵌入式环境的操作系统。嵌入式l i n u x 是根据目 标系统的要求而设计，由一个体积很小的内核和可裁减系统模块、系统软件组成。 与其它嵌入式操作系统相比，l i n u x 的特点在于完全丌放源代码、完全免费、 应用广泛、具备遍布全球的技术支持，l i n u x 是丌放源码的软件，在g n u 的g p l 下源代码可以随意拷贝、散发和使用，这对降低系统成本、实现软件产权自主化和 增强系统安全性起到重要作用，同时也决定了可以根据应用需求的不同定制不同的 l i n u x 作为嵌入式系统。由于l i n u x 是一个操作系统软件，并且可以支持大量的硬 一生= i 蔓! 址丑厶堂噬：；三位i 盆塞 件平台，因此可以根据应用系统现有硬件情况，对l i n u x 进行定制以适合嵌入式系 统的需要。 嵌入式的l i n u x 实际上是一个操作系统平台，基于这个平台实现的嵌入式系统 可以满足丌发人员的研发需要并运行特定的应用系统。作为嵌入式操作系统，l i n 。x 的技术优势有： a l i n u x 是丌放源码的软件，l i n u x 出体积小且性能高的内核和模块组成。在内 核代码完全开放的i j i 提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要很 容易地对内核进行改造，在低成本的静提下，设计和丌发出真讵满足自己需要的嵌 入式系统，开放源码操作系统将比任何由单个厂商提供的操作系统都有优势，当然 也就更能适应业界可能发生的各种变化。用户和硬件厂商无须交纳版权费用，而且 使用户获得了很大的自由度。 b l i n u x 具有丰富的应用程序接口，提供多种丌发工具，l i n u x 具备一整套工具 链，容易自行建立嵌入式系统的丌发环境和交叉运行环境，并且可以跨越嵌入式系 统丌发中仿真工具的障碍。一般丌发嵌入式操作系统的程序调试和跟踪都是使用仿 真器柬实现的，而使用l i n u x 系统做原型的时候，可以绕过这个障碍，直接使用内 核调试器柬做操作系统的内核调试。 c l i n u x 系统是层次结构且l i n u x 的内核是可配置的，具备各种性能的升级能 力，裁剪性很好，高度模块化，具有优秀的可扩展性。现在有大量的工具、设备平1 应用软件可供人们定制l i n u x 系统的功能。l i n u x 的内核是极具弹性的，丌发人员 r ，j 以使h j 内核配置工具很方便地增加或删去某些功能和服务，如硬件驱动程序、文 件系统和网络支持等。这种可配置的特性也可以作为一个独立的模块编译到内核 r ，运行时内核可加载这些模块，或者忽略它们。 d l i n u x 具备强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网并具有u n i x 的特性， 这就保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用l i n u x 的网络协议栈将其j f ： 发成为嵌入式的t c p i p 网络协议栈。l i n u x 的t c p i p 堆栈经受住了长期周密的安 全性审查并针对运行速度做了优化。l i n u x 捌有面向各种网络功能和通信协议的驰 动程序、应用工具、客户端和服务器端软件。 e l i n u x 具有广泛的硬件支持特性，可以移植到多个有不同结构的c p u 和硬件 平台上。出于采用了可移植的u n i x 标准应用程序接口，所以l i n u x 不仅能与各种 处理器( x 8 6 、6 8 k 、p o w e r p c 、a r m 等) 实现源代码层的兼容，也能和所有可移植 u n i x 操作系统兼容。无论是r 1 s c 还是c i s c 、3 2 位还是6 4 位等各种处理器，l i n u x 都能运行。l i n u x 最通常使用的微处理器是i n t e l x 8 6 芯片家族，但它同样能运行于 m o t o r o l a 公司的6 8 k 系列c p u 和l b m 、a p p l e 、m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 的c p u 以及i n t e l 公司的s t r o n g a r m 的c p u 等处理器系统，这意味着嵌入式l i n u x 将具有 4 垡j e 出当厶堂题：! ：芏位途塞 更广泛的应用前景。随着l i n u x 的流行，软件开发商和硬件厂商都丌始在新产品中 附带上面向l i n u x 环境的驱动程序，如对f l a s h 内存和无线网络的支持等。 1 4 本文所作的主要工作及论文的结构 本文作者所作的主要工作如下： 1 在分析智能杂交仪系统需求的基础上，提出了智能杂交仪系统的总体构架， 利用l i n u x 强大的网络功能，通过局域网将智能杂交生物仪与各个实验台连接起来， 使各个实验台都可以对智能杂交生物仪进行控制；而且一个杂交实验的多级温度控 制也可以通过不同的实验台来分别实现，同时，实验结果可以通过网络服务器传输 到i n t e r n e t 上，使得实验资源得到很大程度的共享。并且阐述了其中的p c 机与下层 丌发扳之i 廿j 的通信过程，该系统具有精确的温度控制，准确的定时，自动换液，准 确的实验液体体积控制，能够与p c 机通信等功能。 2 设计了基于a r m 9 t d m i 核处理器的嵌入式硬件平台，选用s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 操作系统选 玎l i n u x 。改进了b o o t l o a d e r ，编写了本系统的设备驱动程序， 建立了丌发平台。 3 在) r 发的嵌入式系统平台基础上，重点设计了硬件设备驱动程序。根掘智能 杂交仪的特点，设计了硬件设备驱动程序，包括l c d ，键盘，串口驱动。 4 在前人的基础上，并根据实验对象的特点，设计了一种改进的温度控制算法， 提h 一种适用于被控对象的传递函数改变的预补偿专家p i d 控制算法。对此系统特 订的变温环境下的被控对象进行分阶段控制处理，改善系统的动态性能。 论文的篇章结构安排氨i 下： 第一章介绍了课题的背景，研究的内容及l i n u x 的原理和特点，给出了本文作 者所作的主要 ：作和论文的结构。 第二章在分析i i 人的温度控制算法的基础上，设计了改进的预补偿专家p i d 控 制算法，该算法能在被动对象的传递函数随着温度变化而变化的情况下，对被动对 象进行分阶段控制，使得被控对象的动态性能和稳定性达到最优。 第三章主要研究了l i n u x 操作系统在a r m 上的移植以及丌发环境的建立。本 章首先从整个实验的系统优化角度分析了选择l i n u x 的原因，并根据嵌入式丌发平 台选择的原则，确定基于a r m 9 t d m i 核处理器的嵌入式硬件平台，选用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 。接着分析了移植l i n u x 的难点，并详细讲述了内核的配置、编译， 为应用程序的，r 发奠定基础。 第四章主要研究了智能杂交生物仪的硬件系统丌发。本章在选定了a r m 9 t d m i 核处理器的嵌入式硬件平台基础上，设计了智能杂交生物仪的外部设备，主要有液 垡t ! n 壶厶：茎亟：! ；兰位i 佥塞 品显示，矩阵键盘，蠕动泵，p w m 电热膜等。 第五章在丌发的嵌入式系统平台基础上，重点设计实现了部分子任务的驱动。 这一章是本文的难点之一，也是本文的重点之一。本章详细地讨论了驱动程序的设 计和实现过程，包括串口驱动、l c d 驱动、键盘驱动等。 最后第六章对全文进行了总结，提出本课题的成功之处和不足之处。并对嵌入 式的未来发展作出了展望。 6 一堡业生盘厶。差塑：j ! 位：| 垒塞 第二章数字p i d 控制技术系统分析 2 ，1 系统分析和系统综合【5 】【6 系统分析是 种科学的整体分析技术和决策方法。它帮助决策者为实现某种需 求l m 进行系统的研究和论证，提供完整、准确和町靠的综合资料，也i ! i j 以随是一种 解决决策问题的研究方略。它根据系统科学的理论和方法论、应用现代科学技术的 成果、借鉴各个领城的实际经验。 从广义上讲，人们往往将其视为系统工程的同义语；从狭义上讲，系统分析属 于系统工程的准备阶段和丌始阶段的：【作，更多偏于对未来的建议和筹划，不介入 工程实践的具体技术和管理领域向系统工程则包括全过程的宏观组织管理。 2 1 1 系统分析的要点 1 从系统的整体性观点出发，首先确定所给定系统的边界范围，把它从周围 的系统中划分比来。同时，逐缎递阶分解这个系统的备组成部分，规定它们之问的 基乖年f 1 关系。 2 重视系统的内、外部联系。必须如实地和详尽地认定所给定系统与外部有 关系统的午h 互作用以及内部各予系统问的棚互作用，给定系统的挫体作用就是上述 今部作用的整体效应，这种效应是在1 i 断变化的状念_ 卜有序地实现的。在建立和运 f 】t 模型时必须遵循相关性，有序性和动态性原则，d 能正确有效地发挥模型的作用。 3 系统分析积擞和大胆地将现代数学引入本分析领域，力求在全过程中运用 数学工具。其所用的各种资料，必须尽量用数学语占束描述用数字表征其差别。 遮就为i 乜予计算机进入组织管理部门扫清了道路，他决策和管理走向定量化、精确 化和自动化。并为认识和发挥给定系统的复杂多变的整体效应创造条件。 4 但系统分析绝不忽视非计量因素，往往要把它们作为“难点”而认真对待。 颁l 且系统分析人员作深入的调查分析，山决策者运用丰富的经验和判断力束权衡和 估量。这罩， “定的模糊度和扶度反而能正确反映真实。 5 系统分析应在给定系统的设想与现实，计划与实施之问建立一种“中介” 环节，以便人们能通过工作，在认识上接近给定系统的客观实际通过适当的控制 措施，使其瞄准规定的目标和利益而逼近。系统分析要求人们根据事实而非从先验 的看法入手，后者本来就是产生于未经充分检验的经验推断。它不仅用模型进行模 拟，而且力求用试验来检验理论预测的结果。 拟，而且力求用试验来检验理论预测的结果。 垡e 出血厶堂亟：! ：茎i ! ! 篮塞 2 1 2 系统分析的过程和步骤 系统分析的般过程，其中的主要j = | f ：节足问题性质分析，目标选择，备选方案 的提出，模型建立，效费评价和检验。这是一个按前头方向反复迭代的过程，只有 当e j 标实现程度被检验而认为满意时，j 可交付决策。如果决策者仍认为不能满意， 则按新的条件重复这种迭代。 系统分析的步骤，大致可分系统剖析、系统综合和系统说明三大步。 1 系统分析 这一阶段必须回答下列问题： a 】问题是什么? b ) 如何去组织这个项目? c 1 系统是什么? d l 整个火系统是什么? e ) 大系统的目标是什么? f ) 系统的目标是什么? g ) 评价的标准是什么? h ) 可行的备选方案有那些? i 1 必须收集的资料和信息是那些? 只有以j ：几个问题都有一定深度的圈答后，才能弄清楚j u j 题的性质，也就是对 系统作出了剖析。 2 系统综合 “1 预测预测要考虑被分析的系统在未来环境中的作片j 和位置，是对任何系统 设计或分析所必不可少的。山于对系统的规划是建立在对未来可能出现局势的预测 的旗础上的，如果预测背离未来现实，则这种预测反映到建模和优化分析中将造成 尤法弥补的失真。 ( 2 ) 建模 模型是系统分析工作者的基本手段，它被用以描述客观对象和过程的 某方面的本质属性，将复杂的问题简化为易于处理的形式，以便能定性或定量地 查明目标与手段助因果关系，所得效果与所需费用的相互关系。 ( 3 ) 优化分析这是根据模型来求出每一个备选方案在实现系统目标方面的最优 解答，一个方案是否优化丁，要用判据来判断。判据不同，优化出的方案也不同。 为了避免局部优化，判掘的选择应注意其整体性。应着重指出的是：优化的作用在 很大程度上是为了进一步完善模型，一个复杂问题往往会从优化分析中得到启示， 8 垡e ! 匕力厶堂亟：堂位丝塞 而使模型和所得结果更切合实际。 ( 4 ) 系统的综合评价综合评价就是利用模型和各种资料，用技术经济观点对比 符种本身已优化了的可行方案，考虑成本与效益问的关系，权衡各方案的利弊得失： 从系统的整体观点出发，综合分析，选出最优方案。 3 。系统说明 在此阶段系统分析人员不仅要对分析结果作出解释和向决策者提供书而报告 和建议，而且要根据决策者的要求进行再分析，以便寻求更好的结果。只有当系统 分析的目标、评价标准和输出结果得到决策者或社会接受时，分析的结论j 。是有用 的。至此，系统分析的任务就算完成了。 2 2 实验数据处理 在工业过程测控中，由于工作现场和系统本身设计的原因，数据采集系统往往 会j 特入朝：多的噪声，例如：热噪声、散粒噪声、电源电压变化、基准电压变化、过 采样时问抖动引此的相位噪声以及山量化误差引此的噪声。这些噪声有时幅值很 人，会严重影响到测罱精度和测量的可靠性，j l - l 日寸必须进行信号滤波。滤波的：e 要 的是设法使噪声与有用信号分离，并予以抑制和消除，滤波有模拟滤波和数字滤 波两种方式，共有低通、高通、带通和带阻等四种基本类型。 模拟滤波出硬件模拟电路实现在采样i j 口先用模拟滤波器进行滤波，可以改善 信号质最，减少后续数据处理的工作量和困难。模拟滤波器常用的是r c 低通滤波 m 络和运算放大器，也有集成的可编程滤波器j 占片，如m a x 2 6 2 ，它通过编榭配置 可以实现各种滤波功能。 数字滤波的实质是对采集到的离散数据进行运算，增强或提升所需要的信号， 胍低或滤掉二f 扰成分。数字滤波有线性滤波和非线性滤波，线性滤波适用于fj j i j 信 号和噪声呈线性叠加的情况，而非线性滤波则适用于两者为相乘( 如幅值调制) 和 卷积( 如冲击引发的传递响应) 情况。卷积可通过傅立叶变换成乘积关系，而棚乘 可通过墩对数变成相加关系所以非线性滤波最终可化成线性滤波处理。 为了进一步提高滤波效果，有时可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤 波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。在我们的实验温度采 样系统中，就采用了这样的复合数字滤波器。先采用过采样技术滤掉近似于白噪声 的脉冲干扰，再用限幅滤波法滤掉幅值大的噪声干扰( 往往是由于偶然因素因此的 脉冲干扰) ，最后用软件低通滤波算法滤掉采样值中的随机干扰。在没有采用过采 样技术时的温度阶跃响应曲线如图2 1 所示。曲线毛刺比较多是因为我们所选用的 传感器比较便宜，其线性特性并不是十分理想所导致。 9 生j e ! u 左厶：i 兰亟 ：堂位论塞 图2 1 单点采样温度阶跃响应曲线 采用过采样技术的温度阶跃响应曲线比较如图2 2 所示。可以明显地看出，采 川了过采样技术有效地抑制了大幅值的脉冲于扰， e 1 由于过采样技术只对干扰近似 为广1 噪声时爿有效，所以其滤波效果还不是很理想微分环节依然不能使用。 图2 2 没钉采川数字滤波的温度响应曲线 幽2 3 采h j 多级数字滤波器温度响心曲线 采用复合数字滤波算法的温度阶跃响应曲线如图2 1 3 所示。可以明显地看出， 复合数字滤波器有效的抑制了非随机噪声，曲线比较平滑，真实的反映了对象的阶 跃”向应特性。这使得先进控制算法，如专家p 1 d ，预补偿p i d ，模糊p i d 等在温度 1 0 一生= 世b 丑厶：兰遁j ：堂位论童 控制中的应j j 成为可能。 2 3 对象数学模型的建立【1 2 1 1 3 l 对象数学模型在控制系统的设计中有着重要的作用，对于控制参数的挺定有很 人的帮助，我们可以建立对象的数学模型在计算机中进行仿真，获取系统最优的控 制参数。杂交实验巾所要控制的对象是实验液体，虽然实验液体的体积比较小，但 i | 于经过了两层钢板传热，所以系统依然存在着延迟环节，只是时问常数一般比较 小，对象对控制量的变化也很敏感，往往经常导致超调过大。在超调之后，系统只 能靠自然散热来冷却，这样的升温特性和降温特性，重不对稔的综合结果使控制器 的输h 往往产生跃变。要把实验液体温度精确控制在0 2 0 c 以内，我们必须建立对 象的数学模型，在计算机中进行控制系统的设计，才能获得良好的控制效果。 我们可以采片j 工程试验法来建立控制对象的数学模型。在给实验对象一个阶跃 输入后，我们 l x - t2 4 实验对级温度阶跃q i 0j 避f i i f 线 心2 4 可以知道，我们的实验剥象是一个一。阶惯性耶盼和延时j = = ：汀_ | ；联鲤i 成 的对象。其典型传递函数如下所示： w ( s ) 志协 ( 2 1 ) 朵j f 】j j ：程方法，我们可以求出k ，t s ，t d 这三个参数： 惯性环节的时间常数t 可以用切线法得出，延迟环节的时问常数t b 可以商接 看出来。由于我们的数据是低通滤波后采得的数据，所以在对象模型应该包含有滤 波器传递函数。 k 。y ( o e ) - y ( 0 ) f 2 2 1 a # 0 综上所述，我们实验对象数学模型可以确定为： 堡b ! 也丑厶：。连堑 ：兰_ 立途塞 g 阶面煮e 2 0 8 ( 2 s ， 实验结果表明，惯性环节的时间常数在实验体液体积发生时变化并刁；大，可以 认为是常数：但增益k 是随着时间和实验液体体积、阶跃幅值大小都是变化的，所 以我们的控制对象并不是个简单的线性对织，而是一个非连续的时变二阶对象。 我们可以用分段线性化的方法把对象在某一时刻在某一点附近线性化，束研究其特 。陀。 2 4 几种控制算法的系统分析 2 4 1 采用几种的数字p i d 控制算法 2 4 1 1 基本数字p i d 控制算法1 1 4 】【1 5 i 数字p i d 控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、化 1 ：、l u 力等行业得到 “泛的应用。它通过将偏差的比例( p ) 积分 m 1t h e n 此时误差已经比较大，彳i 论误差变化趋势如何，都应该考虑控制器的输出按最 人或嫩小输n ，以达到迅速调整误差，使其绝对值以最大速度减小。十h 当于实施j r 1 ：挖制。 ( 1 ) i fl e j i a n di a e l 2t h e n k 。= k 。a n dk ，= k ， 如果温度变化和温度变化率都在允询：范围内则p i d 参数不 】调整。这是系统达 剑了误差允许范围且稳定之后的情况。 ( 2 ) i fe r 动i = ! t h e n k 。= k 。a n dk f = k f + + a k i 若误差虽然在允许范围内但是误差变化率太大而且使得温度偏离稳定值方向 则足。应该保持不变，k ；则应增大以便能尽快抵消掉这种变化趋势，使温度重新回 到平衡位最。这驻不必担心k j 太大会使积分出现饱和现象，因为在前面规则调节后 温度基本上在1 5 c 以内，只要足；的初始值设置的合理，k 取0 0 0 1 左右一般不 会 l 现积分饱和作用。这种情况对应于图2 5 的i l 区和i v 区。 ( 3 ) i fi e l k ) i = la n d p f 行) ot h e n k p = k p + a 2 + k pa n dk ，= k ，+ a 18 k ，i 若温度变化在误差允i ：范围外，且这利偏离温度稳定值的趋势越来越大。这种 情况一般出现在刚超调或回调的前几个波峰或波谷中。此时k 。应该增大，尽量地放 火这种误差，使控制器能很快地减小控制量的输出，停止加热，使温度尽快回到平 衡位置；i = 于当前误差在增大，则k i 应适当地增大，增强刘误差地累积，使控制器 输出尽快地减少。采用这种控制策略能有效地减少超调量，改善系统的动态特性。 ( 5 ) i fm 1 ie 阳i = ia n d p ( ，1 ) o ， 顾补偿环节补偿后i e l ( k ) | i p ( 女) l ；而当输出y i f - 在跟踪设定值时，a e ( k ) o ，补偿后 满足l e l ( k ) i i e ( k ) l ；当输出值不变化的时候，a e ( k ) = 0 ，补偿环节对偏差不进行补偿， 满足l e k k ) h e c k ) i o 采j t 】予页补偿p i d 控制算法的实验温皮响应曲线如图2 - 1 1 示。图2 - 1 l 是实验过 尹，川，桀步骤多次? 硒环i 1 的4 次循环温度响应 h l 线。出图可以看出，采用预补偿p 1 d 算法状得了较好动态性能，超调丛本上控制在0 5 左右，调节时i 口j 控制n i9 0 秒左 右：静态偏差控 图2 1 1 预补偿p 1 d 控制温度响心曲线 2 4 2 控制算法的系统分析 在前面分析的基础上，在对生物杂交实验的液体温度控制中各秤控制方案优缺 1 6 坐t ! n 出厶生亟_ 上：兰位论塞 点比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1 温度控制算法的比较 控制方案动态性能 静态性能 整定难度 数字p i d 较差较差中等 数字p i差差容易 家p i d良良较难 预补偿p i d 差良中 注：动态性能主要比较调节时间和超调量静态性能主要比较稳态偏差。 综合地比较了各控制方案的动态性能、静惫性能、整定难度之后，采f ：i 预补偿 p i d 挖制的控制方案作为杂交实验的温度控制方案。 但是随着实验温度的升高，在一个实验步骤结束后，系统进行换液排液，p w m 停j i 输出，出现温度下降的趋势；并且随着实验液体的温度和压力逐渐上升，试验 液体的导热系数也逐渐增大，i 圈此实验对象的传递函数也发q ! 改变【1 9 】。我们以水 作为实验液体，水的导热系数在大气压力f 的 值为o 6 8 w ( m 8 k ) 。当温度l 二7 i 。时， 水的导热系数随温度的上升而增大，l j 图2 1 2 所示： 0 7 4 = 鼍0 6 6 圣 = 0 5 8 0 3 0 k o 2 2 釜 q0 1 4 c t c 1 一凡十林 l 1 ：2 一苯；3 一丙酮；4 一龅麻油：5 乙醇：6 一1 1 1 醇；7 一l t 油：8 水 削2 一1 2 各种液体的导热系数 所以随着温度的逐渐升高，实验液体的导热系数增大，散热加快，温度下降速 度加快，不利于实验的稳定性和连续性。压力对导热系数的影响主要是液体的导热 系数。导热系数随着压力的升高而增大。 为了降低试验液体的传热，我们在实验箱四周用隔热材料包裹，防止温度下降， 有利于下一步实验的进行。同时出于温度的升高，实验的对象传递函数的纯迟延系 数t d 与时间常数t i 变小，系统的动态性能出现了一些波动，不利于我们的分阶段 ：i f 线性时变对象的控制，所以在温度升高后，我们采用改变p i d 参数的办法，在实 1 7 垡= 幽厶：羔亟堂位i 垒奎 验的温度到达4 0 度的时候，减小比例上不节的作用，同时增大秘分环节1 的控制，增 人系统地稳定性，减少振荡频率，改善系统的动态性能。 改进的预补偿p i d 控制算法的实验温度n l ；, j 曲线如l 划2 - 1 3 所示。 幽2 1 3 改进的预补偿p i d 控制温度响j 、= _ f 曲线 从闭可以看h ，在温度达到4 0 度以i ：的时候，超调帛较小，对象发生改变时 系统能 醍快地剑达新的平衡，静差控制祖：0 1 5 0 c 以内，几乎没有振荡，因此这利t 控 制厅案非常适合1 ：杂交实验过程一 ，的非线肚离散型分阶段的复杂时变对象的控制。 顶补偿p i dj l 选用p 1 算法即可，不仅能达到所要求的精度，型使得控制参数易：】二 毫挈定。 2 5 本章小结 小啦分州部分内容，第部分简单介绍儿种数字p i d 控制算法，如基本数弘p i d 控制算法，号家p 1 d 控制算法，预补偿p i d 于孛制算法。筇：部分介绍了动! 时人基础 卜改进的预补偿p i d 控制算法，并对几种数字p i d 控制算法进行比较，最终采 】改 进的预补偿p i d 控制方案作为杂交实验的温度控制方案。 1 8 生e ! u 出厶堂熊j ：堂位监囊 第三章嵌入式l i n u x 在$ 3 c 2 4 1 0 上的移植 a r m 体系的处理器是目前嵌入式系统中使片j 最广泛的处理器，【i j 于l i n u x 刈于 a r m 技术的支持，把l i n u x 应用到嵌入式系统中能充分发挥a r m 和l i n u x 的优 势。把l i n u x 应用到a r m 处理器中，首先要做的就是把l i n u x 移植到嵌入式处理 器j ：。本章从移植环境的建立，启动代码( b o o t l o a d e r ) 的移植和l i n u x 内核移植等几 方何进行研究并给出移植的具体步骤以及系统设备驱动程序的概念【2 叭。 3 1 智能杂交生物仪的系统优化 从前人丌发的经验我们可以看出，单片机存在一定的局限性，使用单片机丌发 的杂交生物仪只能在一台机器上进行实验，实验步骤也只能一步步进行，如果在实 验进j j 过程中系统出现故障，实验又要重新进行，在时i 日j 和资源l 二造成浪费；低级 的p t 机内部资源较少，不能放下容量很大的操作系统，对实验的稳定性要求难以 达到；传统的单片机所有的资源都屈j 二个人，与网络连接比较雉，刁i 能够在网络l ： 资源e 享。 莉! 深入了解杂交实验的过程后，我们对整个杂交实验进行了综合规划。因为我 们世汁的智能杂交仪是个火的系统，4 i 仪仪是一个只包含自身的实验仪器，还是 个”t 以通过网络与外部终端棚连的综合的系统，所以我们从系统的角度出发，为 了能够使整个智能杂交仪系统成为最优化系统，达到人力、物力资源的最佳配置， 实验时叫的合理利j 1 】，我们选h jl i n u x 操作系统作为系统内核，并选用a r m 芯片 作为c p u ，使得多人多机通过网络共同使j 】智能杂交生物仪，缩短实验时问，提高 实验的稳定性，达到了全系统的优化控制。实验工作环境如图3 1 所示： 扣印机智能杂交仪实验台1 实验台2 服务器实验台3 幽3 1 智能杂交生物仪t 作环境 我们利用l i n u x 强大的网络功能，通过局域网将智能杂交生物仪与各个实验台 1 9 垡：匿! n 出厶堂蝗：! ：王垃论塞 连接起来，各个实验台都可以对智能杂交生物仪进行控制，山于智能杂交生物仪设 i 有8 个蠕动泵，各个实验台可以分别进行不同的实验；而h 一个杂交实验的多级 温度控制也可以通过不同的实验台来分别实现，适合多人同时进行实验，更有利于 实验员之间的协调。能够比单人实验提高效率，减少实验时间，增加系统的稳定性。 i 司时，实验结果可以通过网络服务器传输到i n t e r n e t 上，使得实验资源得到很大程 度的共享。 3 2 嵌入式l i n u x 移植概述 l i n u x 是一个用于多种硬件体系结构的操作系统，目前可以在1 3 8 6 ，m i p s ，a r m 等硬件体系结构上运行。但是对于特定的硬件体系设计的硬件平台，就需要从头对 l i n u x 进行移植。对于某些体系的硬件平台，l i n u x 只对其中部分的c p u 或目标板 提供了支持，如果使用了l i n u x 尚未支持的c p u 或目标板，也需要对l i n u x 内核进 行移植工作。通常，我们可以使用如下两种方法进行l i n u x 内核的移植工作【1 2 1 ： 1 从头设计，采用“自底向上”的设计方法。即从硬件的需求考虑，逐步地采 川分析、设计、编码、测试。这种方法比较适合针对一种全新的硬件平台丌展移植 i i 作。 2 修改已有的代码。如i j i 所述，l i n u x 已经可以在多种体系结构中运行，那么。 t 叮以参考桐近的体系结构的代码，只需修改与目标硬件平台不同的翻：分即可。这种 方法的难处在于j r 发人员除了了解目标硬件平台外，还必须对已支持的硬件有一个 比较好的理解。本文的移植工作就是采用了这种丌发方法。 虽然l i n u x 提供一些工具，可以对内核进行一定的配置为用户和丌发人员提 供- 定的方便。但这对于l i n u x 内核移植 ：作，特别是向l i n u x 内核并不支持的同 标板政体系结构移植来说，还远远不够。对l i n u x 内核进行移植，还需要深入研究 卜f f 【这些领域的知识： 1 熟悉硬件平台。出于移植工作很多都是直接针对硬件平台进行编程，要怨正 确有效地进行移植工作，首先必须清楚地了解硬件平台，熟悉硬件平台的编程模型。 2 熟悉l i n u x 内核体系结构。熟悉l i n u x 内核各部分之间的联系，哪些部分是 硬件相关的，哪些部分是在移植工作中需要创建和修改。 3 熟悉l i n u x 内核源代码树。内核移植最终是对内核的源代码进行修改，只有 熟悉内核源代码结构，清楚地知道内核中的相关功能在内核源代码树的具体位置， 熟悉内核中各种数据结构，j 能正确的修改内核，既实现相应的移植工作，又不会 影响到内核的其它部分。 4 掌握调试内核的方法。移植工作不可能一次成功，还需要对内核进行大量的 2 0 垡韭! 也出厶笠! 亟! ：芏位迨塞 调试工作。而且内核运行之前，系统硬件设备还不可用，为调试带柬很大困难。所 以，对内核进行移植，熟练掌握调试刚期的使用和内核的调试方法至关重要。 具体的移植工作涉及到很多方面。例如根据基本操作系统结构的特点进行如下 修改或7 r 发：修改系统引导和初始化；去掉引导过程中多余的代码。如解压缩、移动 核心代码等，以加速系统的引导和系统存储空间的充分利用：去掉s w a p ，优化文件 系统的物理稍局，将常修改的文件定位在s r a m ，不常修改的文件定位在f l a s h 中： 修改外围初始化，