基于ARM9内核的智能控制系统设计.pdf

1064 计算机测量与控制 2010 18 5 Computer Measurement 修回日期 2009 12 29 作者简介 缪 兵 1974 男 江苏张家港人 实验师 主要从事计 算机智能系统方向的研究 文章编号 1671 4598 2010 05 1064 03 中图分类号 T P273文献标识码 A 基于 ARM9 内核的智能控制系统设计 缪 兵 江苏盐城师范学院 数学科学学院 江苏 盐城 224051 摘要 为了解决传统控制系统存在的实时性差和调试复杂的问题 设计了一种以 ARM920T 内核为核心 C OS II 为操作系统的 嵌入式控制系统 首先 阐述了基于 ARM9 的控制系统硬件结构 配置 信号检测与处理 其次 介绍了系统应用程序 包括主控制程 序 用户操作界面程序 键盘程序以及 S3C2410X 一些相关功能模型驱动程序的开发 最后 采用模糊逻辑控制策略对被控参数进行闭 环控制 将智能控制系统引入设施栽培自动灌溉控制中 经实践证明 该系统的设计达到了预期的效果 实现了相关的功能 具有很好 的应用推广价值 关键词 嵌入式系统 ARM9 模糊逻辑 C OS II Design of Intelligent Control System Based on ARM9 Kernel Miao Bing School of Mathematical Science Yancheng Teachers University Yancheng 224051 China Abstract In order to overcome the real time poor and debugging complex of traditional control system the paper focus on the design and realization of embedded control system with ARM structure and Linux First the hardware structure configuration and signal detec tion and treatment of the control system based on ARM are described Second the system application programs including main control pro gram user operation interface program keyboards program and S3C2410X related function module driving program are described Last the closed control of parameter is implemented using fuzzy logic method It can be applied in intellig ent irrigation control system and has broad market prospects Key words embedded system ARM9 fuzzy logic C OS II 0 引言 智能灌溉技术在灌溉技术比较先进的一些国家已经得到了 广泛的发展和应用 并转化为成熟的产品 而国内灌溉系统的 智能化程度比较低 智能灌溉技术还处于初步研究阶段 可以 实际应用的 成熟的系统还比较缺少 正在使用的功能较为先 进的自动化灌溉系统均为进口产品 因此 开发具有自主知识 产权的节水灌溉控制系统具有重要的现实意义和推广应用价 值 随着 32 64 位微处理器性能的提高 国内微电子与嵌入式 技术得到了迅速发展 基于此背景 系统采用基于 ARM9 内 核的嵌入式片上系统 S3C2410X 为核心开发了自动灌溉控制系 统 操作系统移植了嵌入式实时操作系统 C OS II 1 针对 灌溉过程中营养液混合系统的时变性 大延时性和随机性等特 点 系统采用模糊逻辑控制策略 使系统不再依赖于精确数学 模型 又适合了复杂系统的控制 实践表明 该控制系统可达 到较为理想的控制效果 并且控制方法可以推广到其它具有大 滞后 时变性等特点的控制对象中 1 系统硬件设计 系统采用基于嵌入式操作系统 C OS II 的 ARM 硬件平 台 以满足系统较高的实时性需求 方便了软硬件功能修改 扩充及升级等需求 缩短了开发周期 降低了研发成本 2 3 智能灌溉控制系统的工作原理为系统启动后 自动运行状 态下 ARM9微处理器执行各个传感器的采样功能 并根据 各个采样值 通过相应的控制算法 分别控制各个控制元件 为了提高转换精度 从硬件和软件两个方面采取措施 通过数 字滤波法 进一步去除干扰 提高精度 对传感器的输出信号 实行非线性补偿 提高系统的测控精度 手动运行时 ARM 处理器根据用户指令输出控制指令 控制各个执行元件 另 外 ARM9 微处理器输出的信号不足以驱动电磁阀等执行元 件 系统还提供了驱动电路 同时经过串口接口电路将实际采 样值传给计算机进行处理 4 5 智能灌溉控制系统的结构框图 如图 1 所示 图 1 自动灌溉控制系统的结构框图 1 1 ARM 嵌入式处理器 S3C2410X 系统采用基于 ARM920T ARM9T DMI 内核的 16 32 位 RISC 嵌入式微处理器 主要应用在高性价比和低功耗的场 合 运行频率一般是 203Hz 他具有丰富的片上资源 16k 高 速缓存 cache 一个 LCD 控制器 支持 ST N 和 TFT 带有触 摸屏的液晶显示屏 SDRAM 控制器 3 个通道的 UART 4 个通道的 DMA 4 个具有 PWM 功能的计时器和 1 个内部时 第 3期缪 兵 基于 ARM9 内核的智能控制系统设计 1065 钟 8 通道的 10 位 ADC 触摸屏接口 I2S 总线接口 2 个 USB主机接口 一个 U SB 设备接口 2 个 SPI 接口 SD 接 口和 MM C 接口 看门狗计数器 117 位通用 I O 口和 24 位 外部中断源 8通道 10 位 AD 控制器 由于本系统使用该处 理器众多的功能模块所以使得系统结构紧凑 减少了系统的复 杂度 系统中用到了 S3C2410X 的 8 路 10 位 ADC LCD 控制 器 3 路 U ART 和 4 路 DM A 等模块 1 2 输入 输出通道 EC PH 传感器是控制系统的检测元件 根据系统设计要 求 这两种传感器要实现在线检测 以满足营养液在线混合的 需要 同时 为满足控制系统的性能要求 传感器的反应时间 要快 成本要低 系统选用上海雷磁仪器厂的 DDD 32D 型导电 仪 该电导率传感器配有自动温度补偿功能 测量范围大 测 量上限为 104 s cm 满足系统要求 输出信号为 0 10mA 满 足 S3C2410X 输入信号要求 同时传感器反应时间也满足控制 要求 而且价格便宜 酸碱度传感器同样满足上述要求 系统 将 EC 值 PH 值传感器的输出信号统一转换成电压信号 用 1 片 CD4501作为多路选择开关 由于产生的信号很微弱 采用 高精度可变增益放大器 AD526实现信号的前置放大 调节模拟 电压信号幅度 A D 转换器负责将采集来的模拟信号转换成 CPU 可以识别的数字信号 从而作为模糊控制器的输入 因此 A D 转换 器的设 计对 整个系 统来说 至关 重要 系 统采用 S3C2410X 芯片带的 8 位 A D 转换器 该转换器内部结构中包 括模拟多路复用器 自动调零器 时钟产生器 10 位逐次逼近 寄存器和输出寄存器 可以通过软件设置为 Sleep模式 可以节 电减少功率损失 最大转换速率为 100k 非线性度为正负 1位 满足系统对温度控制精度的要求 输出通道采用 8255 扩展并口输出 由于电磁阀等执行元 件需要 24V 交流驱动 故加入驱动电路 8255 输出经三极管 放大后驱动固态继电器 进一步控制 24V 交流的通断 以驱 动电磁阀 1 3 人机通道 系统中 LCD 硬件我们选用 SHARP 公司推出的分辨率 为 640 240 的 STN 型彩色 LCD 显示屏 LM7M632 支持 256 色显示 在该显示系统中 其显示方式是以直接操作显示缓冲区 SDRAM 的内容进行 LCD 控制器会通过 DMA 方式从显示 缓冲区中读取数据 不需要 CPU 干预 在 256 色显示模式下 显示缓冲区中的一个字节数据代表 LCD 上的一个点的颜色信 息 因此 所需要的缓冲区的大小为 640 240 1 字节 其中 每个字节的 RGB数据格式由三位红色 Bit7 Bit5 三位绿 色 Bit4 Bit2 和两位蓝色 Bit1 Bit0 组成 LCD 控制器 与 LCD 硬件连接方式如图 2 所示 图 2 LCD 控制器与 LCD 硬件连接方法 键盘电路采用 HD7297 键盘专用芯片来进行键盘电路的设 计 HD7297 是一个具有串行接口的智能驱动芯片 该芯片同 时还可连接多达 64 个键的键盘矩阵 内部含有去抖电路 当 有键按下时 键值自动保存在寄存器中 通过读取该寄存器 就可获得键盘键号 避免了传统的键盘扫描和计算键值等软 件 方便程序编写 HD7297 与 S3C2410X 的连接非常简单 只 要 把 以 下 4 根 线 CS CLK DATA KEY 连 接 到 S3C2410X 的 GPIO 即可 1 4 其它基本功能模块 其它基本模块包括电源管理系统 复位电路 时钟电路 SDRAM 数据存储器 Flash 程序存储器及蜂鸣器等 存储器 模块用于记录系统及发酵程序与发酵累计时间等信息 超限报 警模块由蜂鸣器实现 当由于意外因素导致实际采样值高于设 定值 上 限 的 时 候 蜂 鸣 器 鸣 叫 报 警 UART 模 块 通 过 M AX232 电平转换和 RS 232 与上位机进行通讯 以利用 PC 机的资源 JTAG 系统是通过仿真器将系统与 PC 相连 利用 S3C2410X 芯片内部的在线调试模块在上位机上调试程序 电 源管理系统和时钟电路提供系统工作时的电源及时钟 复位电 路可以实现系统的复位功能 2 模糊控制策略 自动灌溉系统向花卉提供的肥料是按一定浓度要求混合在 灌溉水中的营养液 营养液的混合是在灌溉的同时进行的 营 养液在线自动混合控制是自动灌溉系统的关键技术 根据对营 养液构成及工作原理的分析可知 这是一个实时的 大延迟 的 有不确定因素的复杂系统 系统的滞后和惯性都很大 传 递函数很难确定 又因为控制系统的执行机构是只有两种状态 的开关电磁阀 只能控制电磁阀在控制周期内的开关时间比 例 用传统 PID 控制方法不易得到较好的控制效果 因此 系统采用模糊逻辑控制方法来实现 6 7 在设计模糊控制器时 以偏差 e和偏差变化 e 作为输入变量 e 为营养液的电导率 EC 值 或酸碱度 PH 值 的实测值与营养液的电导率 EC 值 或酸碱度 PH 值 标准值之间的差值 e为临近两次差 值的变化 7 表示为 e k r k y k 1 e k e k e k 1 2 由于输入变量有两个 故称为二维模糊控制器 控制系统 框图如图 3 所示 这时的模糊控制器类似于一个 PD 控制器 从而有利于保证系统的稳定性 减少响应过程的超调量以及削 弱其振荡现象 图 3 二维模糊控制系统框图 因为系统延迟很大 并且由于混合罐中水流的旋转混合方 式使检测得到的 PH 值 EC 值的波动大 e 和 e 的模糊语言 值和论域等不宜过多 同时 根据本系统传感器 A D 采样值 的数据分析 选取 m 5 k 2 e e 和 u 的语言真值集 为 E EC U 其中 E NB NS ZE PS PB 论域为 1066 计算机测量与控制 第 18 卷 4 3 2 1 0 1 2 3 4 EC NB NS ZE PS PB 论域为 4 3 2 1 0 1 2 3 4 U NB NS ZE PS PB 论域为 4 3 2 1 0 1 2 3 4 系统输入 E EC的隶属函数与输 出 U 的隶属函数如表 1 和 2 所示 表 1 E EC的隶属函数 4 3 2 101234 NB10 7 0 3000000 NS 0 3 0 7 1 0 0 7 0 20000 PZ000 1 0 6 1 0 0 6 1 0 0 7 0 3 PS00000 2 0 7 1 0 0 7 0 3 PB0000000 3 0 7 1 0 表 2 U 的隶属函数 4 3 2 101234 NB10 50000000 NS00 510 500000 PZ0000 510 5000 PS000000 510 50 PB00000000 51 二维模糊控制器的模糊规则通常由模糊条件语句if E andEC thenU 来表达 其中 E EC U 为 E EC U 的模糊子集 多条 这种结构的模糊条件语句就可以总结为模糊控制规则表 系统 根据操作人员的操作经验 总结出控制规则表如表 3所示 表3 控制规则表 NBNSZEPSPB NBPBPBPSPSNS NSPBPSPSZENB ZEPBPSZENSNB PSPBZENSNSNB PBPSNSNSNBNB 3 系统软件设计 软件设计采用了当前流行的嵌入式系统开发技术 采用 C OS II 嵌入式实时操作系统 并使用 ARM 和 Thumb 指令 集混合编译来优化代码密度 首先将实时操作系统 C OS II 移植到 S3C2410X 嵌入式微处理器上 系统将要完成的功能细 化为几个核心任务 由 C OS II 实时内核进行调度 实现多 任务的并行执行 系统的可靠性和实时性得到大幅提升 按系统要实现的功能 系统软件被划分为几个并行存在的 任务 占先式操作系统对任务的调度是按优先权的高低进行 的 将系统的所有任务按其优先级从高到低的顺序排列 依次 是 系统监视 键盘扫描 LCD 显示 模糊控制算法 控制 量输出和异步串行通信 数据采集部分放到定时器中断程序中 执行 即每 2s 对 PH 值 EC 值进行数据采集和存储 系统监 视任务用来监视其它任务 当被监视任务在执行过程中出现差 错时 系统监视任务将按照预先设定的处理表对其进行处理 使出错的任务恢复正常运行 从而提高系统运行的可靠性 系 统运行时 首先进行系统初始化操作 初始化所有数据结构 分配堆栈空间 然后建立任务间通信的邮箱或消息队列 进行 任务建立及分配任务优先权 所有新建任务被置为就绪态 系 统程序从优先权最高的任务开始执行 系统的运行流程图如图 4 所示 图 4 系统运行流程图 系统的 数据采 集任 务 T emp Sampling T ask void 如下 Void Temp Sampling Task if OS CRITICAL METHOD 3 OS CPU SR cpu sr endif int temp for temp Temp Sample if QueueWrite void QueueBuf temp QUEUE FULL OST imeDly 4 采集任务中用OSTimeDly 函数实现 2 个节拍延时 即 系统每隔 4 0 5 2s 任务执行一次 这就保证了每 2s 采集一 次 EC 值 PH 值的采样速率 5 实验结果和结论 智能灌溉系统主要的控制参数是灌溉液累计流量 灌溉 站点电磁阀 灌溉营养液电导率 EC 和酸碱度 PH 值的控制 其中 养液电导率 EC 和酸碱度 PH 值的控制是大时滞 大 惯性的过程控制 本方采用模糊逻辑控制策略进行闭环控 制 以营养液电导率 EC 的控制为例 对营养液电导率 EC 值 控制的 阶跃响应 实验曲 线如图 5 所 示 稳 态控 制精度 达 0 01 调节时间小于 150s 完全满足了灌溉系统对电导率 EC 值的控制要求 使用结果证明 采用 ARM S3C2410X 的智能灌溉控制系 统结构简单 可靠性高且功能强 与同灯产品相比 采用液晶 显示方式 全中文人机交互界面友好 动态显示工作状态 操 作方便 满足了不同花卉品种的灌溉要求 此外 智能化 自 动化的灌溉控制 节约了水资源 并实现了施肥的精确化控 制 有效地提高了劳动生产率 降低了成本 促进了温室花卉 的规模化和现代化生产 下转第 1069页 第 3期李金良 等 救援机器人自适应模糊控制的研究 1069 式中 ydk yk分别为期望输出和为实际输出 由此采用 BP 算 法可推导出 pi j k l 1 pi j k l E pi j k pi j k l ydk yk jxi 9 式中 pi j k l 为第 l 个采样周期内 pi j k的值 j为规则强度 xi为规则后件第 i 个输入 为学习率 表1 控制规则表 u e e NZP N umax 200 100e 100 e umax 2 400e 400 e umax 6 800e 800 e Z umax 2 200e 200 e 1000e 1000 eumax 2 200e 200 e P umax 6 800e 800 e umax 2 400e 400 e umax 200 100e 100 e 5 实验结果 我们在图 1 所示的救援机器人上面进行了实验 机器人腿 部机构的参数为 l1 10mm l2 25mm l3 38mm m1 2 3kg m2 3kg m3 6 5kg g 9 8m s2 关节角 1 2 的 变化范围为 0 4 关节角 3 的变化范围是 3 2 3 不失 一般性 设控制力矩的变化范围为 2 2KN m 给定跟踪 的轨迹为 4 d 1 t d 2 t 1 2 sin t 6 d 3 t 3 1 2 t sin t 10 式中 2 rad s 轨迹跟踪持续时间 T 1s 采样周期为 2ms 定义两个轨迹跟踪性能的评价指标 均方根跟踪误差 RMSE 1 N N 1 k 0 n 1 i 0 d i k k 2 1 2和最大瞬时跟踪误差 MIPE max k 0 1 N 1 n 1 i 0 d i k i k 2 1 2 其中 n 为关节个数 N为采样点数 要求达 到的轨迹 跟踪性能 指标为 RMSE 0 4mm rad 用作反馈控制器的 T S 型模糊神经网络 FNN2 的后件参数pi j k按表 1 设置 用作前馈控制器的 T S 型模糊 神经网络 FNN1 的 pi j k参数全部初始化为零 取学习率 0 1 经过 20 次学习后控制力矩如图 4所示 RMSE 和 M IPE 变化曲线如图 5 所示 实验表明本文控制方案只需要 8 次学 习 就可以达到 RMSE 0 4mm rad 的跟踪性能指标 并且输 出控制力矩平滑 不会导致救援机器人颤动 图 4 控制力矩 图 5 RMSE和 MI PE变化曲线 6 结论 本文针对腿轮式救援机器人这一多自由度 非线性和强耦 合的系统 围绕实现机器人的运动控制问题 提出一种前馈控 制器和反馈控制器均是 T S 型模糊神经网络的自适应控制方 法 实验结果表明 本文提出的控制方案具有学习速度快 精 度高及鲁棒性强等特点 参考文献 1 Murphy R Rescue robotics for homeland security J Communica tions of the ACM special issue on homeland security 2004 27 3 66 69 2 T hrun S T hay er W C Whittaker Au