基于ARM9在高精度生化分析仪温度控制系统中的应用

摘要：基于ARM9系列的S3C2410处理器，结合嵌入式linux操作系统，完成硬件驱动程序和模糊自整定PID控制算法的设计，实现全自动生化分析仪反应池温度的高精度控制。运行结果表明，所设计的控制系统具有响应快，稳定性、实时性好等优点。实现了一种应用于全自动生化分析仪的高精度温度控制系统。

1 引言
    ARM9越来越广泛的应用于各种生物电子仪器中，全自动生化分析仪是一个典型的应用。生化分析仪检测分析过程中温度对检测结果具有很大的影响，被检样品和试剂只有在指定的温度下检测才能保证生化检验结果的可靠性。生化分析仪的温控系统往往具有非线性、时滞性等特点，应用常规PID控制达不到理想的效果。本系统以ARM9处理器作为控制系统核心，实现模糊自整定PID控制算法。经测试，该系统精度高，稳定性好，响应快，反应盘控温于现行的标准检测温度37℃，控温精度为土0.1℃，显示精度为±0．01℃，完全满足临床使用要求。

2 系统总体设计及主要硬件实现

2.1 系统总体设计

    系统结构如图1所示。系统主要由测温器件、ARM控制器及显示变送单元三部分组成。ARM控制器采用三星公司的S3C2410A。测温器件负责温度的采集，在本系统由DS1 8B20温度传感器构成。整个系统工作过程是先由键盘设定温度值，ARM 控制器控制温度传感器采集温度信号，经过模糊PID 控制模块运算，输出PwM 波控制功率驱动模块，实现对温度的加热和制冷控制，同时通过LCD显示温度。

2．2 控制器S3C2410

    S3C2410A是由Samsung Electronics Co．，Ltd为手持设备设计的低功耗、高度集成的，基于ARM920T内核16／32RISC嵌入式处理器，运行频率可达203MHz， 独立的16k指令和16kB数据的缓存(Cache)，虚拟内存管理的MMU单元，LCD控制器(STN&TFT)，非线性(NAND)FLASH的引导单元系统管理器(包括片选逻辑控制和SDRAM控制器)，3通道的异步串口(UART)，输入输出端口，实时时钟单元(RTC)，带有触摸屏接口的8个通道10bitADC，IIC总线接口，IIS总线接口，USB的主机(host)元，USB的设备(Device)接口，2个通道的SPI接口和锁相环(PLL)时钟发生单元。
    本系统设计采用32位RISC嵌入式处理器工作模式，采用NAND FLASH启动方式。NAND FLASH存储器扩展选择三星电子公司生产的K9F1208，单片容量为64MX 8bit(64M字节)，工作电压2．7～3．6V，8位数据宽度，带有硬件数据保护功能，支持上电自动引导功能。系统中SDRAM 选用HY57V561620T，单片存储容量为4组x4Mxl6位(32M字节)，工作电压为(3．3±0．3)V，16位数据宽度。根据系统需要和充分发挥32位CPU的数据处理能力，本系统选用两片HY57V561620T并联构建32位SDRAM存储器系统，共64MB的SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对复杂的功能运行要求。

2．3 温度采集单元的实现
     温度采集单元主要温度信号的实时采样并响应主机的命令[31。本系统温度传感器使用DS1 8B20，DS1 8B28B20是美国半导体DALLAS公司推出的单总线温度传感器。该器件具有体积小、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，而且内有控制电路，收发电路和存储电路等。DS18B20 具有较宽的电压适用范围(3～5．5V)，并能够通过编程实现温度信号的9～12位的数字转换，分辨率最高可以达到0．0625℃。其测量温度范围为-55～+125℃，其中，在-10～+85℃范围内，精度能够达到±0．5℃。器件采用CMOS技术，耗电量很小，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现一位分辨率的数字值读数方式。使用微处理器作为控制机时，可以使用一位普通端口，就可驱动传感器芯片，本系统采用GPB7引脚来驱动DS18B20。由于DS1 8B20是通过一条数据线传输数据， 这样整个系统要严格按该器件单总线协议规定的时序进行工作， 所以DS 1 8B20有严格的通信协议来保证各个数据传输的正确性和完整性。根据DS 1 8B20的通讯协议，主机控制DS 1 8B20完成温度转换时，首先在每一次读写之前对DS1 8B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，然后发送RAM 指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。R O M 操作命令主要是对传感器地址的操作。RAM 指令主要完成温度的测量，主要有读寄存器，写寄存器，温度转换等操作。

2．4 键盘及LCD显示单元
    系统采用SPI接口的键盘控制芯片ZLG 72 8与$3C2410A的SPI接口连接，ZLG7289扫描的行线R[2：0】和列线C[7：0】构成矩阵键盘，同时在芯片内部可自动完成扫描、译码、去抖动处理等任务。

    S3C2410A内部已经集成了LCD 控制器，因此可以很方便地控制各种类型的LCD屏，例如：STN和TFT屏。系统采用Samsung 3．5 反射型TFT液晶LTS350Q1，320 X 240像素，256k色，White LED背光，自带四线式触摸屏，可以直接和S3C2410A的触摸屏驱动电路连接，触摸位置直接用CPU内置的ADC电路采样可得。
键盘和LCD连接示意图如图2所示。

 

3 模糊自整定PID控制算法模块设计
    模糊自整定PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理的方法实现PID三个参数 、 f和 的在线自整定。模糊自整定PID控制不仅保持了常规PID控制系统的原理简单、使用方便、鲁棒性较强等特点，而且具有更大的灵活性、适应性、精确性等特性。

    模糊自整定PID控制器是在常规PID控制器的基础上建立参数K ，K ，K 与偏差绝对值IE I和偏差变化率
绝对值lecI问的二元连续函数关系的控制器。二元函数关系为 ]： = ( ，J j)， = 0 ，J )，K = ( JEc})。模糊自整定PID控制器根据不同的 、IEcI在线自整定K， K 和Kd。

取输入偏差、偏差变化率和输出隶属度函数分别如图3所示。

 

   对于图3中 的隶属度，当n=p时，a，b分别取一0．3，0．3；当n=i时，a，b分别取一0．06，0．06；当n=d时，a，b分别取一3，3。
    模糊一PID控制系统为双输人三输出系统，输入量为偏差E和偏差变化率EC，输出量为PID参数 ，K 和 。采用七种不同的模糊语言变量进行描述：负小(NS)、负中(NM)、负3v(NB)、零(Z)、正小(Ps)、正中(PM)、正大(PB)，控制规则取为：if E and EC then K ，K， ，根据PID控制的基本原理，结合实际经验，设计模糊控制表如表1所示。

 

采用重心法对经模糊控制规则表所得的 、 和进行反模糊化处理得到精确的值，再将这些值代入如下公式

 

4 系统软件设计
    软件部分采用嵌入式Linux操作系统，系统主要流程如图4所示。系统上电启动BootLoader，初始化系统硬件，加载操作系统，将系统带人一个合适的环境。完成系统引导加载后新建一系列线程，包括温度数据采集线程、模糊自整定控制算法线程、输出线程，并且新建线程之间的通信管道FIFO。完成以上工作以后进入主进程，主进程完成的主要工作是：利用S3C2410读入的采样数据，计算偏差和偏差的变化率，将偏差和偏差的变化率作为输入量，再由模糊PID 自整定控制算法得出输出控制量。可通过键盘并利用外部中断来控制是否停止采样，如果停止采样则合并线程，结束应用程序。

5 结束语
    本系统选用高性能ARM9系列处理器S3C2420以及嵌入式Linux操作系统，温度传感器采用基于目前最流行的单总线温度传感器DS 1 8B20，设计并实现了生化分析仪中的一种高精度温度控制器。通过模糊自整定PID控制算法提高了系统的响应速度和控制精度。结果证明，该系统能很好地实现对生化分析仪反应池的温度控制在需要范围内，从而有效地提高了生化分析仪的检测精度和准确度。