NLX230型模糊控制器及其嵌入式应用研究

1、NLX230型型模糊控制器器及其嵌入式式应用研究 1 引言 在自自动控制领域域，模糊控制制理论及其应应用的研究取取得了很大的的进展，美国国NeuraaLogixx公司推出的的NLX2330型单片模模糊控制器是是一种可编程程的超大规模模集成模糊逻逻辑微处理器器FMC（FFuzzy Microo Conttrolleer），根据据模糊逻辑原原理对输入条条件进行模糊糊逻辑运算，得得到最优的动动作，通过执执行并行操作作控制输出，其其处理速度高高达30M规规则/秒，具具有与计算机机的接口电路路、与外接EEEPROMM的接口电路路和晶体振荡荡器接口电路路，可广泛应应用于过程嵌嵌入式控制、模模式匹配，人人工

2、智能，机机器人及专家家系统。 22 NLX2230的设计计特点与工作作原理 模糊糊逻辑在控制制领域的应用用原理是利用用模糊逻辑器器件通过项项和规则则去构造任任意复杂的线线性和非线性性函数，再根根据输入状态态经过模糊推推理，找到最最佳的输出动动作值并应用用于控制过程程，从而使模模糊逻辑获得得类似于人类类专家似然推推理的能力。 NLX2330基于条件件用模糊逻辑辑规则计算出出优化的输出出操作。输入入值在用户定定义的隶属函函数中按适合合的程度排序序。为了实施施有效的数字字化，采用11个线性对称称隶属函数或或最简单的最最大/最小模模糊参考方法法，规则决定定了在输入时时所需的状态态集，每一规规则至多包含

3、含16个项，每每1个项与11个清晰输入/模糊糊隶属函数配配对。1个当当前值是对用用户在某一规规则下的输出出值合计的修修改。对于所所有的输入和和输出，输入入排序与规则则处理是并行行的。单片式式24位宽的的规则存储器器最多可存664个规则，所所有输入都可可共享这些规规则。根据需需要每个输出出可以被编程程为最多用664个规则，任任一个输出所所用的规则个个数是其他规规则所用的规规则的剩余数数。模糊逻辑辑原理的高效效数字化实现现使NLX2230在低价价格下获得高高处理速度（330M规则/秒）。 22.1 距离离测量的相似似判决原理 NLX2330型单片模模糊集成控制制器利用模糊糊逻辑元件将将输入与隶属属

4、度函数结合合起来，确定定输入对于被被选定的隶属属函数中心值值的距离，通通过距离测量量进行相似决决策。由于最最佳隶属函数数的形状与系系统中传感器器特性、控制制响应及其他他动态特性有有关，因而确确定最佳隶属属函数形状往往往是很困难难的（当然，在在某些情况下下可以根据经经验确定）。NNLX2300型单片模糊糊控制器在设设计上采取了了一种新的方方法，不依赖赖隶属函数的的形状和确值值输入与隶属属函数的交点点，而且测算算出输入与选选定的隶属函函数的中心点点的距离，其其原理如图11所示。不考考虑隶属函数数的区间和输输入的单调，而而测量输出与与中间位置的的距离，距离离用中心位置置减去输入，忽忽略符号。确确值输

5、入Xaa离中心点越越远，其隶属属值越低，反反之，其隶属属值越高。当当确值输入XXa正好位于于中心点位置置时，则隶属属值最大。 有二种不同类型型的隶属函数数，对于第一一种隶属函数数，确值输入入离中心点愈愈近，隶属值值愈大，如果果确值输入落落入隶属函数数的宽度范围围之外，那么么隶属值最小小。对于第二二隶属函数，当当确值输入落落入隶属函数数的宽度范围围之内时隶属属值最小。距距离测量的优优点有二：其其一是使设计计者在保留重重要信息的同同时不必决定定复杂隶属函函数的形状；其二是这种种方法提供了了相似判决的的简单途径。2.2 确值输入向模糊逻辑量的转换 确值输入向模糊逻辑量的转换是通过测量距离的相似判决模

6、糊逻辑单元实现的，在相似判决模糊逻辑单元内求取隶属值的电路结构如图2所示。模糊逻辑单元内被选定的隶属函数中心点值和确值输入送进减法器计算出差值ac，该差值与隶属函数宽度值相比较，只有当差值在宽度范围内时，隶属值计算器才输出结果（该结果等于从允许的最大隶属值中减去差值ac，如图1所示），否则，隶属值计算器输出将被置零或置最小值。隶属值实际上是1个模糊逻辑量，用（或d）表示。 3 NLX2330的内部结结构和引脚功功能 NLXX230型模模糊控制器的的内部结构如如图3所示，它它由模糊输入入选择器，116个模糊单单元、最小和和最大比较器器、规则寄存存器、输出寄寄存器和定时时控制等部分分组成，完成成模

7、糊推理运运算并作出控控制决策。3.1 模糊输输入选择器和和模糊单元 8选1多路路选择器控制制N LX2230中166个模糊单元元的每个单元元的输入。模模糊单元求取取输入量对用用户所定义的的隶属函数的的隶属度。每每个模糊单元元从8个外部部输入中任选选1个作为输输入数据（11个模糊单元元只能访问11个输入数据据）。把模糊糊单元组态构构成输出反馈馈到输入的形形式，可不处处理外部输入入。把一个输输入同1个隶隶属函数联系系起来构成11个项，NLLX230最最多可支持116个项。每每个模糊单元元的结构如图图2所示，含含有1个166位的项寄存存器，包括88位的中心值值、5位的宽宽度值及3位位的输入选择择组态

8、（完成成对8个外部部输入中任11个输入的选选择）。每个个模糊单元计计算输入值与与用户定义的的中心点的距距离，完成输输入确值量到到模糊逻辑量量的转换。这这样，每1个个模糊单元与与1个8位中中心位置相联联，计算出距距离后，其结结果与用户定定义的宽度相相比较，5位位的宽度值代代表输入离中中心位置的最最远距离，如如果输入的距距离小于或等等于此宽度，那那么输入被认认为是隶属函函数的一部分分，距离的求求补得到隶属属函数度。求求补就是300减去距离（330是最大宽宽度，）输入入离中心越近近，隶属值越越高，落在宽宽度内的隶属属值被传到最最小比较器来来进行规则处处理。 当输输入等于中心心值时，模糊糊单元输出最最

9、大值31；当输入落在在宽度范围以以外时，模糊糊输出值为00，表示完全全没有关系。 3.2 最最小值比较器器和最大值比比较器 NLLX230的的最小值比较较器是由高流流通量的神经经元网路执行行的，以适合合高速的数据据量。64条条规则分别存存储在64个个规则寄存器器中，每个规规则寄存器字字有24位，其其前16位分分别用来完成成每个模糊单单元的输出对对最小比较器器的使能。每每个规则位固固定对应1个个模糊单元。当当1个规则位位被置1，则则此规则包含含该项，相应应的模糊单元元输出可与其其他置1的规规则位相比较较以找出最小小项。某个规规则的最小项项一旦被找到到，就储存在在NLX2330最大值比比较器的暂存

10、存寄存器中，对对应被处理的的每一规则经经处理所得最最小项与暂存存于最大值寄寄存器中的值值进行比较，去去小存大；当当处理完所有有规则，最大大值寄存器中中的结果是所所有最小项中中的最大值，该该值对应的规规则为取胜规规则，代表11个模糊逻辑各结果果的和。取胜胜规则的当前前值（动作值值）送到模糊糊量与确值量量的转换单元元（输出寄存存器），经转转换处理后进进行模糊控制制。 当前值值定义在每个个规则寄存器器字的8个保保留位，代表表输出动作值值所需的修正正量，动作修修正值是1个个8位二进制制补码值为1281127。从规规则寄存器字字来的8位动动作修正值与与用户定义的的初值相加。例例如，初始值值为100，动动

11、作修正值为为5，则输输出为95。 3.3 规规则寄存器和和输出寄存器器 规则寄存存器用于存放放控制规则，NNLX2300最多可存放放64条规则则。输出寄存存器为总线使使能方式，只只要处理了所所有的规则，规规则寄存器的的8位补码修修正值与初始始值之和，饱饱和算数运算算使输出位取取模128（当当前值使输出出高于或低于于界限1228和1277），输出即即由模糊量转转换为确值量量，模糊控制制器在输入下下一组数据的的同时输出结结果数据。 3.4 NNLX2300的引脚功能能 NLX2230采用440引脚双列列直插式封装装，如图4所所示。RSTT是系统复位位脚，低电平平有效。DII0DI77是8位数据据输

12、入口。VVSS是地。SSK是串行时时钟脚，用于于将组态数据据打入FMCC（M/S0时，该脚脚输出）。CCS是片选，与与M/S和RR/W联用使使能串行数据据输入/输出出（M/S1时输出，MM/S0时时输入）。DDI是串行数数据输入脚。DDO是串行数数据输出脚。MM/S是主/从模式选择择（M/S1时为主动动模式；M/S0时为为伺服模式）。RR/W是读/写输入脚，仅仅用于伺服模模式（R11为读；W0为写）。NNC是空脚，必必须接地。XXI为晶体振振荡器输入脚脚。XO为晶晶体振荡器输输出脚。CLLK是缓冲系系统时钟输出出脚。STBB是选通脚，与与MA0MMA2联用以以选通输入/输出数据。MMA2是输入

13、入/输出多路路传输地址22输出脚。MMA1是输入入/输出多路路传输地址位位1输出脚。MMA0是输入入/输出多路路传输地址位位0输出脚。DDO7DOO0为数据输输出脚。VDDD是5VV电源脚。 4 NLX2330模糊控制制器的工作模模式 NLXX230模糊糊控制器的工工作模式有模模糊单元模式式、输入模式式、输出模式式及输入输出出扩展应用。4.1 模糊单元模式 在模糊单元模式下有二种方式，典型应用为模糊单元的输出表示每一个输入接近中心位置的程度；另一种方式是将NLX230组态成为不包含模糊单元，通过使用不包含模糊单元的工作方式可用输入与中心位置的距离来加权规则项。 4.2 输入模式 NLX230的

14、输入即可以是来自8个分时多路输入引脚的信号又可以是输出的内部反馈信号，二种输入模式通过输入组态寄存器选择。 4.3 输出模式 NLX230的每个输出可以配置为立即输出和累加输出二种组态。在立即输出模式中，由取胜规则（该规则带有最大的最小项）所特指的动作值加上初始值。对NLX230的工作周期，原始的初始值都被用来计算输出。在累加输出模式中，1个输出的新值是加了新动作值（此动作值由获胜规则所决定）的现在值。在这个模式中，新输入值被保留作为初始我用于下1个输出值的计算。用户定义的原始初始值仅在复位后计算第一个输出值时被使用。 4.4 扩展 多个NLX230级联使用能够扩展输入、输出、模糊单元和规则的

15、数目。4.5 时钟 1个外部时钟源从XI引脚输入可直接驱动NLX230。NLX230也包含了1个有源振荡器电路用于时钟的发生。CLK提供了所需的时钟输出。 5 NLX230的操作方式 NLX230的操作模式通过初始化完成。复位引脚M/S可设置2种不同结构的操作方式：主动方式（NLX230自动从外部EEPROM中读取数据）和从动方式（NLX230等待外部逻辑电路读写数据）。 5.1 主动方式 主动方式是在复位引脚由1变为0和M/S为1时使NLX230开始1个自动卸载周期。NLX230通过时钟SK的发生、片选使能和地址（DO）的发生来寻址2048位的串行EEPROM。NLX230输出串行时钟（SK

16、）并维持片选（CS），接着出现读标志，7位地址在DO输出引脚出现，NLX230立即开始在DI引脚输入16位数据，该过程持续进行到NLX230已经输入128个数据字（16282048），之后片选失效。这个组态周期的下1个工作是由NLX230处理出现在输入引脚（DI0DI7）上的数据。 5.2 从动（伺服）方式 M/S为0时，NLX230处于从动（伺服）模式，由外部控制逻辑提供SK、CS、R/W等信号。在SK上升沿之前，维持R/W为低电平和CS为高电平以触发卸载过程。然后，在SK的上升沿由DI引脚输入数据。所有数据位（2048）顺序写入后，CS变为低电平；在SK的上升沿之前，保持R/W和CS信号为

17、高电平以触发加载过程。然后，在SK的上升沿由DO引脚输出数据。所有数据位（2048）被顺序读出后，CS变为低电平。在串行卸载或加载周期之后，需要一个复位信号（保持为低电平）以清除内部数据通道。 6 应用接口 6.1 NLX230接口功能 NLX230有8个时分多路复用输入脚和8个多路复用输出脚。内部连接输出到输入可以得到反馈路径、外部晶体振荡器或PC电路；输入和输出计数的1个时钟输出；为使外部数据输入信号同步的1个帧信号；串行EEPROM接口由数据输入（DI）、片选（CS）、时钟（SK）和读写（R/W）引脚组成。当NLX230与微机接口时，只需DI、CS、DO、SK和R/W引脚即可。6.2 数

18、据接口电路 NLX230与微处理器（或单片机）接口只需5个引脚信号：DI、CS、DO、SK、R/W。图5所示为典型的控制系统数据接口，74373作为输入/输出数据锁存器，其个数与输入/输出个数相同。NLX230用于典型的输入/输出为8个8位数值的多路复用控制系统。MUX地址脚MA（2：0）、选通脚STB及动态输入或输出通道的译码由NLX230提供。NLX230提供所有必要的信号，由典型帧时序图可显示时间关系。输入值从DI（7：0）输入的同时输出也在DO（7：0）进行。 7 应用实例 应用实例是是玩具电动汽汽车自动驾驶驶控制系统。根根据输入由NNLX2300提供决策输输出，由控制制规则控制不不同路面环境境下的速度与与方