NLX230型模糊控制器及其嵌入式應(yīng)用研究

NLX230型模糊把握器及其嵌入式應(yīng)用爭辯1引言

?在自動把握領(lǐng)域,模糊把握理論及其應(yīng)用的爭辯取得了很大的進(jìn)展,美國NeuraLoｇｉx公司推出的NLX２3０型單片模糊把握器是一種可編程的超大規(guī)模集成模糊規(guī)律微處理器FＭC(FuｚzyMiｃｒｏContｒolｌer）,依據(jù)模糊規(guī)律原理對輸入條件進(jìn)行模糊規(guī)律運(yùn)算,得到最優(yōu)的動作,通過執(zhí)行并行操作把握輸出,其處理速度高達(dá)30M規(guī)章/秒,具有與計(jì)算機(jī)的接口電路、與外接ＥEPＲOM的接口電路和晶體振蕩器接口電路,可廣泛應(yīng)用于過程嵌入式把握、模式匹配，人工智能,機(jī)器人及專家系統(tǒng)。?

２NLX２3０的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與工作原理??模糊規(guī)律在把握領(lǐng)域的應(yīng)用原理是利用模糊規(guī)律器件通過＂項(xiàng)＂和"規(guī)章＂去構(gòu)造任意簡單的線性和非線性函數(shù)，再依據(jù)輸入狀態(tài)經(jīng)過模糊推理,找到最佳的輸出動作值并應(yīng)用于把握過程，從而使模糊規(guī)律獲得類似于人類專家似然推理的力量。??NLX230基于條件用模糊規(guī)律規(guī)章計(jì)算出優(yōu)化的輸出操作。輸入值在用戶定義的隸屬函數(shù)中按適合的程度排序。為了實(shí)施有效的數(shù)字化，接受1個(gè)線性對稱隸屬函數(shù)或最簡潔的最大/最小模糊參考方法,規(guī)章打算了在輸入時(shí)所需的狀態(tài)集,每一規(guī)章至多包含１6個(gè)項(xiàng),每1個(gè)項(xiàng)與1個(gè)"清楚"輸入/模糊隸屬函數(shù)配對。1個(gè)當(dāng)前值是對用戶在某一規(guī)章下的輸出值合計(jì)的修改。對于全部的輸入和輸出,輸入排序與規(guī)章處理是并行的。單片式2４位寬的規(guī)章存儲器最多可存６４個(gè)規(guī)章,全部輸入都可共享這些規(guī)章。依據(jù)需要每個(gè)輸出可以被編程為最多用6４個(gè)規(guī)章,任一個(gè)輸出所用的規(guī)章個(gè)數(shù)是其他規(guī)章所用的規(guī)章的剩余數(shù)。模糊規(guī)律原理的高效數(shù)字化實(shí)現(xiàn)使ＮＬX230在低價(jià)格下獲得高處理速度(３0Ｍ規(guī)章/秒)。

?2．1距離測量的相像判決原理

?NＬＸ２３0型單片模糊集成把握器利用模糊規(guī)律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(jìn)行相像決策。由于最佳隸屬函數(shù)的外形與系統(tǒng)中傳感器特性、把握響應(yīng)及其他動態(tài)特性有關(guān),因而確定最佳隸屬函數(shù)外形往往是很困難的(當(dāng)然，在某些狀況下可以依據(jù)閱歷確定)。NLＸ２3０型單片模糊把握器在設(shè)計(jì)上實(shí)行了一種新的方法,不依靠隸屬函數(shù)的外形和確值輸入與隸屬函數(shù)的交點(diǎn),而且測算出輸入與選定的隸屬函數(shù)的中心點(diǎn)的距離,其原理如圖1所示。不考慮隸屬函數(shù)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，忽視符號。確值輸入Ｘａ離中心點(diǎn)越遠(yuǎn),其隸屬值越低,反之，其隸屬值越高。當(dāng)確值輸入Ｘａ正好位于中心點(diǎn)位置時(shí),則隸屬值最大。有二種不同類型的隸屬函數(shù),對于第一種隸屬函數(shù)，確值輸入離中心點(diǎn)愈近，隸屬值愈大，假如確值輸入落入隸屬函數(shù)的寬度范圍之外,那么隸屬值最小。對于其次隸屬函數(shù),當(dāng)確值輸入落入隸屬函數(shù)的寬度范圍之內(nèi)時(shí)隸屬值最小。距離測量的優(yōu)點(diǎn)有二：其一是使設(shè)計(jì)者在保留重要信息的同時(shí)不必打算簡單隸屬函數(shù)的外形;其二是這種方法供應(yīng)了相像判決的簡潔途徑。??２.2確值輸入向模糊規(guī)律量的轉(zhuǎn)換??確值輸入向模糊規(guī)律量的轉(zhuǎn)換是通過測量距離的相像判決模糊規(guī)律單元實(shí)現(xiàn)的，在相像判決模糊規(guī)律單元內(nèi)求取隸屬值的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。模糊規(guī)律單元內(nèi)被選定的隸屬函數(shù)中心點(diǎn)值和確值輸入送進(jìn)減法器計(jì)算出差值ac,該差值與隸屬函數(shù)寬度值相比較，只有當(dāng)差值在寬度范圍內(nèi)時(shí),隸屬值計(jì)算器才輸出結(jié)果(該結(jié)果等于從允許的最大隸屬值中減去差值ａｃ,如圖１所示）,否則,隸屬值計(jì)算器輸出將被置零或置最小值。隸屬值實(shí)際上是1個(gè)模糊規(guī)律量，用μ（或ｄ)表示。３NＬX２30的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能??ＮLＸ２30型模糊把握器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,它由模糊輸入選擇器,１6個(gè)模糊單元、最小和最大比較器、規(guī)章寄存器、輸出寄存器和定時(shí)把握等部分組成,完成模糊推理運(yùn)算并作出把握決策。３．1模糊輸入選擇器和模糊單元??8選1多路選擇器把握NLX2３０中1６個(gè)模糊單元的每個(gè)單元的輸入。模糊單元求取輸入量對用戶所定義的隸屬函數(shù)的隸屬度。每個(gè)模糊單元從８個(gè)外部輸入中任選1個(gè)作為輸入數(shù)據(jù)(1個(gè)模糊單元只能訪問１個(gè)輸入數(shù)據(jù))。把模糊單元組態(tài)構(gòu)成輸出反饋到輸入的形式,可不處理外部輸入。把一個(gè)輸入同1個(gè)隸屬函數(shù)聯(lián)系起來構(gòu)成1個(gè)項(xiàng),NLX2３0最多可支持16個(gè)項(xiàng)。每個(gè)模糊單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示,含有1個(gè)16位的項(xiàng)寄存器，包括８位的中心值、５位的寬度值及3位的輸入選擇組態(tài)(完成對８個(gè)外部輸入中任1個(gè)輸入的選擇）。每個(gè)模糊單元計(jì)算輸入值與用戶定義的中心點(diǎn)的距離，完成輸入確值量到模糊規(guī)律量的轉(zhuǎn)換。這樣，每１個(gè)模糊單元與1個(gè)８位中心位置相聯(lián)，計(jì)算出距離后,其結(jié)果與用戶定義的寬度相比較,5位的寬度值代表輸入離中心位置的最遠(yuǎn)距離,假如輸入的距離小于或等于此寬度，那么輸入被認(rèn)為是隸屬函數(shù)的一部分,距離的求補(bǔ)得到隸屬函數(shù)度。求補(bǔ)就是3０減去距離(３0是最大寬度,）輸入離中心越近,隸屬值越高,落在寬度內(nèi)的隸屬值被傳到最小比較器來進(jìn)行規(guī)章處理。?

當(dāng)輸入等于中心值時(shí),模糊單元輸出最大值31;當(dāng)輸入落在寬度范圍以外時(shí),模糊輸出值為0,表示完全沒有關(guān)系。??3．２最小值比較器和最大值比較器??ＮＬX２3０的最小值比較器是由高流通量的神經(jīng)元網(wǎng)路執(zhí)行的,以適合高速的數(shù)據(jù)量。６4條規(guī)章分別存儲在6４個(gè)規(guī)章寄存器中,每個(gè)規(guī)章寄存器字有24位,其前1６位分別用來完成每個(gè)模糊單元的輸出對最小比較器的使能。每個(gè)規(guī)章位固定對應(yīng)１個(gè)模糊單元。當(dāng)１個(gè)規(guī)章位被置１,則此規(guī)章包含該項(xiàng),相應(yīng)的模糊單元輸出可與其他置1的規(guī)章位相比較以找出最小項(xiàng)。??某個(gè)規(guī)章的最小項(xiàng)一旦被找到，就儲存在ＮLX2３0最大值比較器的暫存寄存器中，對應(yīng)被處理的每一規(guī)章經(jīng)處理所得最小項(xiàng)與暫存于最大值寄存器中的值進(jìn)行比較,去小存大;當(dāng)處理完全部規(guī)章，最大值寄存器中的結(jié)果是全部最小項(xiàng)中的最大值，該值對應(yīng)的規(guī)章為取勝規(guī)章,代表1個(gè)＂模糊"規(guī)律各結(jié)果的和。取勝規(guī)章的當(dāng)前值（動作值)送到模糊量與確值量的轉(zhuǎn)換單元（輸出寄存器），經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)行模糊把握。??當(dāng)前值定義在每個(gè)規(guī)章寄存器字的8個(gè)保留位，代表輸出動作值所需的修正量，動作修正值是1個(gè)8位二進(jìn)制補(bǔ)碼值為-12８~１２７。從規(guī)章寄存器字來的8位動作修正值與用戶定義的初值相加。例如,初始值為100,動作修正值為-５,則輸出為95。??3．3規(guī)章寄存器和輸出寄存器??規(guī)章寄存器用于存放把握規(guī)章,ＮＬX230最多可存放６4條規(guī)章。輸出寄存器為總線使能方式，只要處理了全部的規(guī)章，規(guī)章寄存器的8位補(bǔ)碼修正值與初始值之和,飽和算數(shù)運(yùn)算使輸出位取模1２８(當(dāng)前值使輸出高于或低于界限-１28和1２7）,輸出即由模糊量轉(zhuǎn)換為確值量,模糊把握器在輸入下一組數(shù)據(jù)的同時(shí)輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。??3.４NLＸ230的引腳功能??NＬX２30接受40引腳雙列直插式封裝,如圖4所示。RST是系統(tǒng)復(fù)位腳,低電平有效。ＤI0-DI7是８位數(shù)據(jù)輸入口。VSＳ是地。SK是串行時(shí)鐘腳,用于將組態(tài)數(shù)據(jù)打入ＦＭC(Ｍ/S＝0時(shí),該腳輸出)。CＳ是片選,與M／S和R/W聯(lián)用使能串行數(shù)據(jù)輸入/輸出(M/S=1時(shí)輸出,M／S＝0時(shí)輸入)。DI是串行數(shù)據(jù)輸入腳。DO是串行數(shù)據(jù)輸出腳。M/S是主／從模式選擇（M/S＝1時(shí)為主動模式;M/S=０時(shí)為伺服模式)。R/W是讀/寫輸入腳，僅用于伺服模式(R=1為讀；W=0為寫)。ＮＣ是空腳，必需接地。ＸＩ為晶體振蕩器輸入腳。ＸＯ為晶體振蕩器輸出腳。ＣＬＫ是緩沖系統(tǒng)時(shí)鐘輸出腳。SＴB是選通腳,與ＭA０-ＭＡ２聯(lián)用以選通輸入/輸出數(shù)據(jù)。ＭＡ2是輸入／輸出多路傳輸?shù)刂罚草敵瞿_。MA1是輸入/輸出多路傳輸?shù)刂肺唬陛敵瞿_。MA0是輸入／輸出多路傳輸?shù)刂肺?輸出腳。DＯ7-ＤO0為數(shù)據(jù)輸出腳。ＶDD是＋5Ｖ電源腳。

4NLＸ23０模糊把握器的工作模式

?NLＸ2３０模糊把握器的工作模式有模糊單元模式、輸入模式、輸出模式及輸入輸出擴(kuò)展應(yīng)用。??4．１模糊單元模式?

在模糊單元模式下有二種方式，典型應(yīng)用為模糊單元的輸出表示每一個(gè)輸入接近中心位置的程度；另一種方式是將ＮLＸ23０組態(tài)成為不包含模糊單元，通過使用不包含模糊單元的工作方式可用輸入與中心位置的距離來加權(quán)規(guī)章項(xiàng)。??４.2輸入模式??NLＸ2３０的輸入即可以是來自8個(gè)分時(shí)多路輸入引腳的信號又可以是輸出的內(nèi)部反饋信號，二種輸入模式通過輸入組態(tài)寄存器選擇。??４.3輸出模式??ＮＬX230的每個(gè)輸出可以配置為馬上輸出和累加輸出二種組態(tài)。在馬上輸出模式中，由取勝規(guī)章（該規(guī)章帶有最大的最小項(xiàng))所特指的動作值加上初始值。對NLＸ2３０的工作周期，原始的初始值都被用來計(jì)算輸出。在累加輸出模式中,1個(gè)輸出的新值是加了新動作值(此動作值由獲勝規(guī)章所打算)的現(xiàn)在值。在這個(gè)模式中,新輸入值被保留作為初始我用于下１個(gè)輸出值的計(jì)算。用戶定義的原始初始值僅在復(fù)位后計(jì)算第一個(gè)輸出值時(shí)被使用。??４.4擴(kuò)展??多個(gè)ＮLX230級聯(lián)使用能夠擴(kuò)展輸入、輸出、模糊單元和規(guī)章的數(shù)目。??４．5時(shí)鐘??1個(gè)外部時(shí)鐘源從XI引腳輸入可直接驅(qū)動NＬＸ230。NＬX230也包含了1個(gè)有源振蕩器電路用于時(shí)鐘的發(fā)生。ＣLK供應(yīng)了所需的時(shí)鐘輸出。??5NＬX23０的操作方式??ＮLX２30的操作模式通過初始化完成。復(fù)位引腳M/S可設(shè)置2種不同結(jié)構(gòu)的操作方式：主動方式(NLX２３0自動從外部ＥEPRＯM中讀取數(shù)據(jù))和從動方式（ＮＬX230等待外部規(guī)律電路讀寫數(shù)據(jù)）。

?５.1主動方式??主動方式是在復(fù)位引腳由"1"變?yōu)?0"和Ｍ／Ｓ為"1"時(shí)使ＮＬＸ２30開頭１個(gè)自動卸載周期。NLX２3０通過時(shí)鐘SＫ的發(fā)生、片選使能和地址(ＤＯ)的發(fā)生來尋址２０48位的串行EEPRＯM。ＮLＸ23０輸出串行時(shí)鐘（SＫ）并維持片選(CS),接著消滅＂讀標(biāo)志＂，7位地址在DＯ輸出引腳消滅，ＮLX23０馬上開頭在DI引腳輸入１6位數(shù)據(jù),該過程持續(xù)進(jìn)行到NLX２３０已經(jīng)輸入12８個(gè)數(shù)據(jù)字(16×２8=204８）,之后片選失效。這個(gè)組態(tài)周期的下1個(gè)工作是由NＬX230處理消滅在輸入引腳（DＩ0-ＤＩ7）上的數(shù)據(jù)。??５．2從動(伺服)方式??Ｍ/S為"0＂時(shí),NＬX2３0處于從動(伺服)模式，由外部把握規(guī)律供應(yīng)SＫ、CS、R／W等信號。在SK上升沿之前，維持Ｒ/Ｗ為低電平和ＣＳ為高電平以觸發(fā)卸載過程。然后,在ＳK的上升沿由DI引腳輸入數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)位(2０４8)挨次寫入后,CS變?yōu)榈碗娖?；在ＳK的上升沿之前,保持Ｒ/Ｗ和CＳ信號為高電平以觸發(fā)加載過程。然后，在ＳK的上升沿由DＯ引腳輸出數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)位(204８）被挨次讀出后,ＣS變?yōu)榈碗娖?。在串行卸載或加載周期之后,需要一個(gè)復(fù)位信號(保持為低電平）以清除內(nèi)部數(shù)據(jù)通道。

??6應(yīng)用接口??6.1NLX230接口功能??NLＸ23０有8個(gè)時(shí)分多路復(fù)用輸入腳和8個(gè)多路復(fù)用輸出腳。內(nèi)部連接輸出到輸入可以得到反饋路徑、外部晶體振蕩器或PC電路;輸入和輸出計(jì)數(shù)的１個(gè)時(shí)鐘輸出;為使外部數(shù)據(jù)輸入信號同步的１個(gè)幀信號;串行EＥPRＯM接口由數(shù)據(jù)輸入(DＩ）、片選(CＳ）、時(shí)鐘(SK）和讀寫（R/W)引腳組成。當(dāng)ＮＬX2３0與微機(jī)接口時(shí),只需ＤI、CS、DO、SK和R／Ｗ引腳即可。??6.2數(shù)據(jù)接口電路??NＬX2３０與微處理器（或單片機(jī)）接口只需5個(gè)引腳信號：DI、CS、DＯ、ＳK、R/W。圖5所示為典型的把握系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，74３73作為輸入/輸出數(shù)據(jù)鎖存器,其個(gè)數(shù)與輸入/輸出個(gè)數(shù)相同。NＬＸ２30用于典型的輸入/輸出為8個(gè)8位數(shù)值的多路復(fù)用把握系統(tǒng)。MUX地址腳MＡ(２:０)、選通腳ＳTＢ及動態(tài)輸入或輸出通道的譯碼由ＮLX230供應(yīng)。NLＸ2３０供應(yīng)全部必要的信號，由典型幀時(shí)序圖可顯示時(shí)間關(guān)系。輸入值從ＤI（７:0)輸入的同時(shí)輸出也在DO(7:０)進(jìn)行。7應(yīng)用實(shí)例??應(yīng)用實(shí)例是玩具電動汽車自動駕駛把握系統(tǒng)。依據(jù)輸入由NLＸ2３0供應(yīng)決策輸出,由把握規(guī)章把握不同路面環(huán)境下的速度與方向。NLX2３0的開發(fā)系統(tǒng)ADＳ23０由軟、硬件二部分組成,主要功能是將應(yīng)用系統(tǒng)的把握規(guī)章寫成把握規(guī)章文件，并轉(zhuǎn)換為有關(guān)寄存器的內(nèi)容寫入NLＸ２3０的規(guī)章寄存器。??7.1標(biāo)號定義?

DF:前方;DR：右方；ＤL：左方;VＥ:速度;RＯ:路面;DI:方向；FT：油門;BR：剎車;LE:左；EＩ:右;ST:直;DF-ＣL:接近前方;ＤF-ＦＡ:遠(yuǎn)離前方;DR-FA:遠(yuǎn)離右方；DL-ＦA:遠(yuǎn)離左方;VE－ＳＬ:低速;ＶＥ-ME:中速；VE-FＡ:高速；RＡ－WＥ:路面滑；RＯ-ME:路面適度；TＨ－SＬ：抵抗;TH-ＭE:中擋;Ｔ