LX230型模糊控制器及其嵌入式應用研究(DOC 12)

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.NLX2330型模糊糊控制器及及其嵌入式式應用研究究 1 引言 在自動控控制領域，模模糊控制理理論及其應應用的研究究取得了很很大的進展展，美國NNeuraaLogiix公司推推出的NLLX2300型單片模模糊控制器器是一種可可編程的超超大規(guī)模集集成模糊邏邏輯微處理理器FMCC（Fuzzzy MMicroo Conntrolller），根根據(jù)模糊邏邏輯原理對對輸入條件件進行模糊糊邏輯運算算，得到最最優(yōu)的動作作，通過執(zhí)執(zhí)行并行操操作控制輸輸出，其處處理速度高高達

2、30MM規(guī)則/秒秒，具有與與計算機的的接口電路路、與外接接EEPRROM的接接口電路和和晶體振蕩蕩器接口電電路，可廣廣泛應用于于過程嵌入入式控制、模式匹配配，人工智智能，機器器人及專家家系統(tǒng)。 2 NLLX2300的設計特特點與工作作原理 模模糊邏輯在在控制領域域的應用原原理是利用用模糊邏輯輯器件通過過項和和規(guī)則去構造任任意復雜的的線性和非非線性函數(shù)數(shù)，再根據(jù)據(jù)輸入狀態(tài)態(tài)經(jīng)過模糊糊推理，找找到最佳的的輸出動作作值并應用用于控制過過程，從而而使模糊邏邏輯獲得類類似于人類類專家似然然推理的能能力。 NNLX2330基于條條件用模糊糊邏輯規(guī)則則計算出優(yōu)優(yōu)化的輸出出操作。輸輸入值在用用戶定義的的隸屬函

3、數(shù)數(shù)中按適合合的程度排排序。為了了實施有效效的數(shù)字化化，采用11個線性對對稱隸屬函函數(shù)或最簡簡單的最大大/最小模模糊參考方方法，規(guī)則則決定了在在輸入時所所需的狀態(tài)態(tài)集，每一一規(guī)則至多多包含166個項，每每1個項與與1個清清晰輸入入/模糊隸隸屬函數(shù)配配對。1個個當前值是是對用戶在在某一規(guī)則則下的輸出出值合計的的修改。對對于所有的的輸入和輸輸出，輸入入排序與規(guī)規(guī)則處理是是并行的。單片式224位寬的的規(guī)則存儲儲器最多可可存64個個規(guī)則，所所有輸入都都可共享這這些規(guī)則。根據(jù)需要要每個輸出出可以被編編程為最多多用64個個規(guī)則，任任一個輸出出所用的規(guī)規(guī)則個數(shù)是是其他規(guī)則則所用的規(guī)規(guī)則的剩余余數(shù)。模糊糊邏輯

4、原理理的高效數(shù)數(shù)字化實現(xiàn)現(xiàn)使NLXX230在在低價格下下獲得高處處理速度（30M規(guī)則/秒）。 2.1 距離測量的相似判決原理 NLX230型單片模糊集成控制器利用模糊邏輯元件將輸入與隸屬度函數(shù)結(jié)合起來，確定輸入對于被選定的隸屬函數(shù)中心值的距離，通過距離測量進行相似決策。由于最佳隸屬函數(shù)的形狀與系統(tǒng)中傳感器特性、控制響應及其他動態(tài)特性有關，因而確定最佳隸屬函數(shù)形狀往往是很困難的（當然，在某些情況下可以根據(jù)經(jīng)驗確定）。NLX230型單片模糊控制器在設計上采取了一種新的方法，不依賴隸屬函數(shù)的形狀和確值輸入與隸屬函數(shù)的交點，而且測算出輸入與選定的隸屬函數(shù)的中心點的距離，其原理如圖1所示。不考慮隸屬函數(shù)

5、的區(qū)間和輸入的單調(diào)，而測量輸出與中間位置的距離，距離用中心位置減去輸入，忽略符號。確值輸入Xa離中心點越遠，其隸屬值越低，反之，其隸屬值越高。當確值輸入Xa正好位于中心點位置時，則隸屬值最大。 有二種不同同類型的隸隸屬函數(shù)，對對于第一種種隸屬函數(shù)數(shù)，確值輸輸入離中心心點愈近，隸隸屬值愈大大，如果確確值輸入落落入隸屬函函數(shù)的寬度度范圍之外外，那么隸隸屬值最小小。對于第第二隸屬函函數(shù)，當確確值輸入落落入隸屬函函數(shù)的寬度度范圍之內(nèi)內(nèi)時隸屬值值最小。距距離測量的的優(yōu)點有二二：其一是是使設計者者在保留重重要信息的的同時不必必決定復雜雜隸屬函數(shù)數(shù)的形狀；其二是這這種方法提提供了相似似判決的簡簡單途徑。2.

6、2 確值輸入入向模糊邏邏輯量的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換 確值值輸入向模模糊邏輯量量的轉(zhuǎn)換是是通過測量量距離的相相似判決模模糊邏輯單單元實現(xiàn)的的，在相似似判決模糊糊邏輯單元元內(nèi)求取隸隸屬值的電電路結(jié)構如如圖2所示示。模糊邏邏輯單元內(nèi)內(nèi)被選定的的隸屬函數(shù)數(shù)中心點值值和確值輸輸入送進減減法器計算算出差值aac，該差差值與隸屬屬函數(shù)寬度度值相比較較，只有當當差值在寬寬度范圍內(nèi)內(nèi)時，隸屬屬值計算器器才輸出結(jié)結(jié)果（該結(jié)結(jié)果等于從從允許的最最大隸屬值值中減去差差值ac，如如圖1所示示），否則則，隸屬值值計算器輸輸出將被置置零或置最最小值。隸隸屬值實際際上是1個個模糊邏輯輯量，用（或d）表表示。 3 NLXX230的的內(nèi)部結(jié)構

7、構和引腳功功能 NLLX2300型模糊控控制器的內(nèi)內(nèi)部結(jié)構如如圖3所示示，它由模模糊輸入選選擇器，116個模糊糊單元、最最小和最大大比較器、規(guī)則寄存存器、輸出出寄存器和和定時控制制等部分組組成，完成成模糊推理理運算并作作出控制決決策。3.1 模模糊輸入選選擇器和模模糊單元 8選1多多路選擇器器控制N LX2330中166個模糊單單元的每個個單元的輸輸入。模糊糊單元求取取輸入量對對用戶所定定義的隸屬屬函數(shù)的隸隸屬度。每每個模糊單單元從8個個外部輸入入中任選11個作為輸輸入數(shù)據(jù)（11個模糊單單元只能訪訪問1個輸輸入數(shù)據(jù)）。把模糊單單元組態(tài)構構成輸出反反饋到輸入入的形式，可可不處理外外部輸入。把一個

8、輸輸入同1個個隸屬函數(shù)數(shù)聯(lián)系起來來構成1個個項，NLLX2300最多可支支持16個個項。每個個模糊單元元的結(jié)構如如圖2所示示，含有11個16位位的項寄存存器，包括括8位的中中心值、55位的寬度度值及3位位的輸入選選擇組態(tài)（完完成對8個個外部輸入入中任1個個輸入的選選擇）。每每個模糊單單元計算輸輸入值與用用戶定義的的中心點的的距離，完完成輸入確確值量到模模糊邏輯量量的轉(zhuǎn)換。這樣，每每1個模糊糊單元與11個8位中中心位置相相聯(lián)，計算算出距離后后，其結(jié)果果與用戶定定義的寬度度相比較，55位的寬度度值代表輸輸入離中心心位置的最最遠距離，如如果輸入的的距離小于于或等于此此寬度，那那么輸入被被認為是隸隸屬

9、函數(shù)的的一部分，距距離的求補補得到隸屬屬函數(shù)度。求補就是是30減去去距離（330是最大大寬度，）輸輸入離中心心越近，隸隸屬值越高高，落在寬寬度內(nèi)的隸隸屬值被傳傳到最小比比較器來進進行規(guī)則處處理。 當當輸入等于于中心值時時，模糊單單元輸出最最大值311；當輸入入落在寬度度范圍以外外時，模糊糊輸出值為為0，表示示完全沒有有關系。 3.2 最小值比比較器和最最大值比較較器 NLLX2300的最小值值比較器是是由高流通通量的神經(jīng)經(jīng)元網(wǎng)路執(zhí)執(zhí)行的，以以適合高速速的數(shù)據(jù)量量。64條條規(guī)則分別別存儲在664個規(guī)則則寄存器中中，每個規(guī)規(guī)則寄存器器字有244位，其前前16位分分別用來完完成每個模模糊單元的的輸出

10、對最最小比較器器的使能。每個規(guī)則則位固定對對應1個模模糊單元。當1個規(guī)規(guī)則位被置置1，則此此規(guī)則包含含該項，相相應的模糊糊單元輸出出可與其他他置1的規(guī)規(guī)則位相比比較以找出出最小項。某個規(guī)則則的最小項項一旦被找找到，就儲儲存在NLLX2300最大值比比較器的暫暫存寄存器器中，對應應被處理的的每一規(guī)則則經(jīng)處理所所得最小項項與暫存于于最大值寄寄存器中的的值進行比比較，去小小存大；當當處理完所所有規(guī)則，最最大值寄存存器中的結(jié)結(jié)果是所有有最小項中中的最大值值，該值對對應的規(guī)則則為取勝規(guī)規(guī)則，代表表1個模模糊邏輯輯各結(jié)果的的和。取勝勝規(guī)則的當當前值（動動作值）送送到模糊量量與確值量量的轉(zhuǎn)換單單元（輸出出寄

11、存器），經(jīng)經(jīng)轉(zhuǎn)換處理理后進行模模糊控制。 當前值值定義在每每個規(guī)則寄寄存器字的的8個保留留位，代表表輸出動作作值所需的的修正量，動動作修正值值是1個88位二進制制補碼值為為12881277。從規(guī)則則寄存器字字來的8位位動作修正正值與用戶戶定義的初初值相加。例如，初初始值為1100，動動作修正值值為5，則則輸出為995。 33.3 規(guī)規(guī)則寄存器器和輸出寄寄存器 規(guī)規(guī)則寄存器器用于存放放控制規(guī)則則，NLXX230最最多可存放放64條規(guī)規(guī)則。輸出出寄存器為為總線使能能方式，只只要處理了了所有的規(guī)規(guī)則，規(guī)則則寄存器的的8位補碼碼修正值與與初始值之之和，飽和和算數(shù)運算算使輸出位位取模1228（當前前值使

12、輸出出高于或低低于界限128和和127），輸輸出即由模模糊量轉(zhuǎn)換換為確值量量，模糊控控制器在輸輸入下一組組數(shù)據(jù)的同同時輸出結(jié)結(jié)果數(shù)據(jù)。 3.44 NLXX230的的引腳功能能 NLXX230采采用40引引腳雙列直直插式封裝裝，如圖44所示。RRST是系系統(tǒng)復位腳腳，低電平平有效。DDI0DDI7是88位數(shù)據(jù)輸輸入口。VVSS是地地。SK是是串行時鐘鐘腳，用于于將組態(tài)數(shù)數(shù)據(jù)打入FFMC（MM/S00時，該腳腳輸出）。CS是片片選，與MM/S和RR/W聯(lián)用用使能串行行數(shù)據(jù)輸入入/輸出（MM/S11時輸出，MM/S00時輸入）。DI是串串行數(shù)據(jù)輸輸入腳。DDO是串行行數(shù)據(jù)輸出出腳。M/S是主/從模式

13、選選擇（M/S1時時為主動模模式；M/S0時時為伺服模模式）。RR/W是讀讀/寫輸入入腳，僅用用于伺服模模式（R1為讀；W0為為寫）。NNC是空腳腳，必須接接地。XII為晶體振振蕩器輸入入腳。XOO為晶體振振蕩器輸出出腳。CLLK是緩沖沖系統(tǒng)時鐘鐘輸出腳。STB是是選通腳，與與MA0MA2聯(lián)聯(lián)用以選通通輸入/輸輸出數(shù)據(jù)。MA2是是輸入/輸輸出多路傳傳輸?shù)刂?2輸出腳。MA1是是輸入/輸輸出多路傳傳輸?shù)刂肺晃?輸出腳腳。MA00是輸入/輸出多路路傳輸?shù)刂分肺?輸出出腳。DOO7DOO0為數(shù)據(jù)據(jù)輸出腳。VDD是是5V電電源腳。 4 NLXX230模模糊控制器器的工作模模式 NLLX2300模糊控制

14、制器的工作作模式有模模糊單元模模式、輸入入模式、輸輸出模式及及輸入輸出出擴展應用用。4.11 模糊單單元模式 在模糊單單元模式下下有二種方方式，典型型應用為模模糊單元的的輸出表示示每一個輸輸入接近中中心位置的的程度；另另一種方式式是將NLLX2300組態(tài)成為為不包含模模糊單元，通通過使用不不包含模糊糊單元的工工作方式可可用輸入與與中心位置置的距離來來加權規(guī)則則項。 44.2 輸輸入模式 NLX2230的輸輸入即可以以是來自88個分時多多路輸入引引腳的信號號又可以是是輸出的內(nèi)內(nèi)部反饋信信號，二種種輸入模式式通過輸入入組態(tài)寄存存器選擇。 4.33 輸出模模式 NLLX2300的每個輸輸出可以配配置

15、為立即即輸出和累累加輸出二二種組態(tài)。在立即輸輸出模式中中，由取勝勝規(guī)則（該該規(guī)則帶有有最大的最最小項）所所特指的動動作值加上上初始值。對NLXX230的的工作周期期，原始的的初始值都都被用來計計算輸出。在累加輸輸出模式中中，1個輸輸出的新值值是加了新新動作值（此此動作值由由獲勝規(guī)則則所決定）的的現(xiàn)在值。在這個模模式中，新新輸入值被被保留作為為初始我用用于下1個個輸出值的的計算。用用戶定義的的原始初始始值僅在復復位后計算算第一個輸輸出值時被被使用。 4.4 擴展 多多個NLXX230級級聯(lián)使用能能夠擴展輸輸入、輸出出、模糊單單元和規(guī)則則的數(shù)目。4.5 時鐘 11個外部時時鐘源從XXI引腳輸輸入可

16、直接接驅(qū)動NLLX2300。NLXX230也也包含了11個有源振振蕩器電路路用于時鐘鐘的發(fā)生。CLK提提供了所需需的時鐘輸輸出。 55 NLXX230的的操作方式式 NLXX230的的操作模式式通過初始始化完成。復位引腳腳M/S可可設置2種種不同結(jié)構構的操作方方式：主動動方式（NNLX2330自動從從外部EEEPROMM中讀取數(shù)數(shù)據(jù)）和從從動方式（NNLX2330等待外外部邏輯電電路讀寫數(shù)數(shù)據(jù)）。 5.1 主動方式式 主動方方式是在復復位引腳由由1變變?yōu)?和M/SS為1時使NLLX2300開始1個個自動卸載載周期。NNLX2330通過時時鐘SK的的發(fā)生、片片選使能和和地址（DDO）的發(fā)發(fā)生來尋

17、址址20488位的串行行EEPRROM。NNLX2330輸出串串行時鐘（SSK）并維維持片選（CCS），接接著出現(xiàn)讀標志，7位地地址在DOO輸出引腳腳出現(xiàn)，NNLX2330立即開開始在DII引腳輸入入16位數(shù)數(shù)據(jù)，該過過程持續(xù)進進行到NLLX2300已經(jīng)輸入入128個個數(shù)據(jù)字（11628820448），之之后片選失失效。這個個組態(tài)周期期的下1個個工作是由由NLX2230處理理出現(xiàn)在輸輸入引腳（DDI0DDI7）上上的數(shù)據(jù)。 5.22 從動（伺伺服）方式式 M/SS為0時，NLLX2300處于從動動（伺服）模模式，由外外部控制邏邏輯提供SSK、CSS、R/WW等信號。在SK上上升沿之前前，維持R

18、R/W為低低電平和CCS為高電電平以觸發(fā)發(fā)卸載過程程。然后，在在SK的上上升沿由DDI引腳輸輸入數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)據(jù)位（20048）順順序?qū)懭牒蠛螅珻S變變?yōu)榈碗娖狡?；在SKK的上升沿沿之前，保保持R/WW和CS信信號為高電電平以觸發(fā)發(fā)加載過程程。然后，在在SK的上上升沿由DDO引腳輸輸出數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)據(jù)位（20048）被被順序讀出出后，CSS變?yōu)榈碗婋娖?。在串串行卸載或或加載周期期之后，需需要一個復復位信號（保保持為低電電平）以清清除內(nèi)部數(shù)數(shù)據(jù)通道。 6 應應用接口 6.1 NLX2230接口口功能 NNLX2330有8個個時分多路路復用輸入入腳和8個個多路復用用輸出腳。內(nèi)部連接接輸出到輸輸入可

19、以得得到反饋路路徑、外部部晶體振蕩蕩器或PCC電路；輸輸入和輸出出計數(shù)的11個時鐘輸輸出；為使使外部數(shù)據(jù)據(jù)輸入信號號同步的11個幀信號號；串行EEEPROOM接口由由數(shù)據(jù)輸入入（DI）、片選（CCS）、時時鐘（SKK）和讀寫寫（R/WW）引腳組組成。當NNLX2330與微機機接口時，只只需DI、CS、DDO、SKK和R/WW引腳即可可。6.22 數(shù)據(jù)接接口電路 NLX2230與微微處理器（或或單片機）接接口只需55個引腳信信號：DII、CS、DO、SSK、R/W。圖55所示為典典型的控制制系統(tǒng)數(shù)據(jù)據(jù)接口，7743733作為輸入入/輸出數(shù)數(shù)據(jù)鎖存器器，其個數(shù)數(shù)與輸入/輸出個數(shù)數(shù)相同。NNLX2330用于典典型的輸入入/輸出為為8個8位位數(shù)值的多多路復用控控制系統(tǒng)。MUX地地址腳MAA（2：00）、選通通腳STBB及動態(tài)輸輸入或輸出出通道的譯譯碼由NLLX2300提供。NNLX2330提供所所有必要的的信號，由由典型幀時時序圖可顯顯示時間關關系。輸入入值從DII（7：00）輸入的的同時輸出出也在DOO（7：00）進行。 7 應用實實例 應用用實例是玩玩具電動汽汽車自動駕駕駛控制系系統(tǒng)。根據(jù)據(jù)輸