基于ARM9的高精度生化分析儀溫度控制系統設計

　　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點，而且內有控制電路，收發電路和存儲電路等。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，分辨率最高可以達到0.0625℃。其測量溫度范圍為-55～+125℃，其中，在-10～+85℃范圍內，精度能夠達到±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，首先在每一次讀寫之前對DS1 8B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，然后發送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、精確性等特性。

　　模糊自整定PID控制器是在常規PID控制器的基礎上建立參數K ，K ，K 與偏差絕對值IE I和偏差變化率

　　絕對值lecI問的二元連續函數關系的控制器。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：負小（NS）、負中（NM）、負3v（NB）、零（Z）、正小（Ps）、正中（PM）、正大（PB），控制規則取為：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。可通過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則表所得的 、 和進行反模糊化處理得到精確的值，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最流行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精度溫度控制器。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精度和準確度。

參考文獻:

[1].S3C2410Adatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/S3C2410A_589565.html.
[2].ARM920Tdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[3].Devicedatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/Device_1397784.html.
[4].DS18B20 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20+_819975.html.
[5].ROMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[6].ZLG7289datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ZLG7289_1134608.html.