基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸興華　范太霖　謝振漢

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院　廣州　511325)

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基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸興華范太霖謝振漢

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院廣州511325)

摘要多模式智能控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程智能家居控制、機(jī)電控制等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景,傳統(tǒng)的多模式智能控制系統(tǒng)采用Android嵌入式設(shè)計(jì)方法,對I/O接口的控制信號調(diào)理性能不好。提出一種基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了多模式智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和功能模塊分析,采用ADI公司的ARM11作為系統(tǒng)控制的主控系統(tǒng),采用WiFi或者GPRS通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令輸出,結(jié)合PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行多模式控制程序加載,對控制系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì),系統(tǒng)調(diào)試中用嵌入式AD9850進(jìn)行控制系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣調(diào)試。仿真結(jié)果表明,采用該系統(tǒng)進(jìn)行多模式遠(yuǎn)程智能控制,具有較好的控制精度,實(shí)時(shí)性和收斂性較好,性能可靠穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞ARM; 智能控制; 嵌入式; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Class NumberTP273

1　引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和生活當(dāng)中,遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)由原來的單一模式轉(zhuǎn)化為多模式,通過多模式智能控制,為控制對象提供多功能的遙控操作。多模式智能控制建立在物聯(lián)網(wǎng)和多傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別RFID技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析,生成控制指令,然后通過主控系統(tǒng)進(jìn)行程序加載,對遠(yuǎn)程控制對象進(jìn)行多模式操控,實(shí)現(xiàn)智能控制,而今,多模式智能控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在智能家居控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測、目標(biāo)識別和人工智能等領(lǐng)域,隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,多模式控制系統(tǒng)趨于集成化和智能化,研究多模式智能控制的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,在實(shí)現(xiàn)人工智能控制中具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)方法中,對多模式智能控制系統(tǒng)采用Android嵌入式設(shè)計(jì)方法,對I/O接口的控制信號調(diào)理性能不好,對此,相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),其中,文獻(xiàn)[3]提出一種基于WiFi或者GPRS通信接口設(shè)計(jì)和PID模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的人工智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的多模式控制[2],采用ARM尋址技術(shù)進(jìn)行狀態(tài)特征識別,提高了控制性能,但是該系統(tǒng)的集成性不好,采用分立元件設(shè)計(jì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性不高[3]。文獻(xiàn)[4]提出一種基于Android嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程多模式壓縮機(jī)控制系統(tǒng),采用AD7656驅(qū)動住控系統(tǒng)的控制程序,結(jié)合智能粒子群控制算法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,提高了控制性能,但是該系統(tǒng)在程序的ad7656_ioctl配置過程中對先驗(yàn)知識的依賴性較大,受到的干擾較強(qiáng),性能不好。針對上述問題,本文采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,提出一種基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,首先進(jìn)行了多模式智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和功能模塊分析,結(jié)合PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行多模式控制程序加載,然后進(jìn)行了控制系統(tǒng)的功能模塊的硬件部分設(shè)計(jì),最后基于Linux進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn),展示了本文控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)多模式狀態(tài)監(jiān)測和控制中的優(yōu)越性能。

2　多模式智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及算法描述

2.1多模式智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多模式控制系統(tǒng)采用ARM作為核心控制單元,實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程終端的狀態(tài)監(jiān)測和多模態(tài)跟蹤控制,在設(shè)計(jì)多模式智能控制系統(tǒng)之前首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)描述,本文設(shè)計(jì)的多模式智能控制系統(tǒng)采用模塊化平臺設(shè)計(jì),主要分為多模態(tài)狀態(tài)監(jiān)測的傳感器模塊和通信模塊、供電沒款、上位機(jī)通信模塊、數(shù)據(jù)信息處理模塊和DSP數(shù)字號處理模塊,其中DSP(數(shù)字信號處理器)是系統(tǒng)的核心,采用ADI公司的ARM11作為系統(tǒng)控制的主控系統(tǒng),采用WiFi或者GPRS通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制指令輸出,采用液晶顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,采用ADI公司的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的供電[5～7],得到本文設(shè)計(jì)的多模式智能控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在上述控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行功能模塊分析,進(jìn)行功能模塊分析和設(shè)計(jì)指標(biāo)描述,本文設(shè)計(jì)的基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)采集和AD轉(zhuǎn)換功能、遠(yuǎn)程測量和校準(zhǔn)換能功能、收發(fā)轉(zhuǎn)換功能以及控制信號的功率放大功能。其中,數(shù)據(jù)采樣功能是實(shí)現(xiàn)多模式遠(yuǎn)程智能控制的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)多模式智能控制系統(tǒng)的WSN傳感器AD采樣電路,多模式智能控制系統(tǒng)采用無線傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采樣,為了實(shí)現(xiàn)采樣傳感器節(jié)點(diǎn)的功率分配均衡,在AD采樣過程中,采用AD9225進(jìn)行模擬電路設(shè)計(jì),電源輸入為一個微分晶振電路,采用分立元件構(gòu)成,使用ADM706S精確監(jiān)控系統(tǒng)5V電源,在1.6s內(nèi)進(jìn)行電路復(fù)位,復(fù)位電路是一個DSP系統(tǒng),從外部16位存儲器直接執(zhí)行ROM配置,遠(yuǎn)程多模式智能控制的WSN傳感器分布簇Ci由一組節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[8～10],本系統(tǒng)就可以完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測量和控制收發(fā)轉(zhuǎn)換等工作,根據(jù)上述分析,得到本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)描述如下:

圖1　多模式智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

1) 多模式遠(yuǎn)程控制的控制指令收發(fā)的預(yù)處理機(jī)動態(tài)范圍:-20dB～+20dB,PCI總線的抗干擾能力為80dB,輸出控制指令的包括幅度±10V;

2) 收發(fā)轉(zhuǎn)換電路采樣通道:4通道異步雙工輸出;

3) 數(shù)據(jù)采樣率:≥200KHz;

4) 基陣接收的控制信號的A/D分辨率:12位(至少);

5) 模擬信號預(yù)處理的D/A分辨率:12位(至少);

6) D/A轉(zhuǎn)換速率:≥200KHz;

7) 控制指令的信號輸出形式:可選,包括(CW、線性調(diào)頻、HFM等)多種形式。

根據(jù)上述功能模塊分析和指標(biāo)參量設(shè)計(jì),進(jìn)行嵌入式ARM多模式智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2控制算法描述

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,控制算法是進(jìn)行遠(yuǎn)程多模式控制的核心,通過控制算法設(shè)計(jì)進(jìn)行程序加載,本文采用模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法,采用三層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)的模糊PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　三層前向變結(jié)構(gòu)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為輸入層、中間層和輸出層,其中輸入層進(jìn)行原始的控制信息的采樣和調(diào)制,中間層作為核心層進(jìn)行輸入信號的控制處理和信號分析,輸出層輸出新的訓(xùn)練向量模式,供遠(yuǎn)程的多模式控制對象執(zhí)行相關(guān)控制指令,令輸入層的控制信號時(shí)間序列采樣結(jié)果為x(t),t=0,1,…,n-1,調(diào)整與輸出節(jié)點(diǎn)Nj*的自適應(yīng)權(quán)系數(shù),引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的競爭學(xué)習(xí),輸入訓(xùn)練向量與Nj*幾何鄰域NEj*(t)內(nèi)的失真敏感值為

ωij(t+1)=ωij(t)+α(t)(xi(t)-ωij(t))

(1)

M=Mn+ΔM

(2)

(3)

(4)

其中,多模式遠(yuǎn)程控制的最佳的控制狀態(tài)函數(shù)為

(5)

(6)

采用前向變結(jié)構(gòu)PID控制,提高了控制系統(tǒng)的抗干擾性,此時(shí)輸出v(k)等于輸出層神經(jīng)元的輸出,控制系統(tǒng)的收斂性得到了保證。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和控制算法描述的基礎(chǔ)上,進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì),本文采用嵌入式設(shè)計(jì)方法,器件選擇ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為數(shù)字處理芯片,系統(tǒng)最低采樣率為25MHz,使用8位A/D芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和模式識別,嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整機(jī)尺寸為70mm×50mm,溫度范圍是0℃～70℃,ARM核心芯片采用的是S3C2440A ARM9處理器,CPU采用三星S3C2440,顯示單元設(shè)計(jì)采用7寸TFT-LCD液晶顯示屏,480×RGB×800像素。在上述進(jìn)行器件選擇的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)TFT-LCD接口電路,TFT-LCD接口為LCD控制器提供控制寄存器/顯存,LCDDMA、LPC3600通過時(shí)序邏輯控制輸出到外部的數(shù)據(jù)接口VD[23:0];啟動中斷執(zhí)行程序采集XY的坐標(biāo)值,使用有源晶振進(jìn)行時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),多模式控制系統(tǒng)的I/O電壓為3.3V,最大倍頻數(shù)為35倍,確保多模式的ARM控制系統(tǒng)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)采樣,采用分立元件構(gòu)建時(shí)鐘邏輯控制電路,進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。收發(fā)轉(zhuǎn)換電路的工作原理相當(dāng)于一個單刀雙擲開關(guān),通過收發(fā)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行控制指令的I/O中斷操作,本文設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式多模式智能控制系統(tǒng)的收發(fā)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3　收發(fā)轉(zhuǎn)換電路

圖4　多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)的硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖

4　系統(tǒng)測試與仿真結(jié)果分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)的性能,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)調(diào)試中用DDS(直接數(shù)字合成)技術(shù)芯片AD9850進(jìn)行控制系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣調(diào)試,通過DAC變換轉(zhuǎn)化成模擬信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多模式控制,遠(yuǎn)程多模式控制系統(tǒng)采用50MHz的參考時(shí)鐘輸出,時(shí)鐘電路進(jìn)行控制信號采樣和仿真的工作流程如圖5所示。

圖5　時(shí)鐘電路進(jìn)行控制信號采樣輸出流程

多模式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的邏輯時(shí)序控制信號通過高性能的MAX7000AE嵌入式處理芯片進(jìn)行控制算法程序加載,采用本文控制系統(tǒng)進(jìn)行智能家居多模式控制,先用WIN32 API函數(shù)CreateFile()函數(shù)打開設(shè)備,通過DeviceIoControl()進(jìn)行邏輯時(shí)序信號輸入控制,指令代碼為

ARMD1 <='0' when((dgeytyA4='0')a iehi (dspA3 = '0')and(THHHpA2='0')and(dgregh1 = '0') and(sdghpA0 = '1')) and((IOS='0')and(hGTyS5='0'))else '1';

收發(fā)轉(zhuǎn)換電路的控制信號通過用串口通信進(jìn)行程序配置,配置過程為:

BEGIN CLKXM=1輸出

IF(eiengti ghuhue nlen4='1') THEN

Ihurfe uuO1<=dfrhyhD13;

END IF;

圖6　多模式控制輸出信號跟蹤曲線

從圖可見,多模式控制輸出信采樣波形最高為4005,最低為0,在控制系統(tǒng)終端的控制信號采集結(jié)果正好與輸入信號一致,說明采用本文系統(tǒng)進(jìn)行多模式遠(yuǎn)程跟蹤控制,具有較好的控制精度,實(shí)時(shí)性和收斂性較好,性能可靠穩(wěn)定。

5　結(jié)語

遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)由原來的單一模式轉(zhuǎn)化為多模式,通過多模式智能控制,為控制對象提供多功能的遙控操作。多模式智能控制建立在物聯(lián)網(wǎng)和多傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別RFID技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析,生成控制指令,然后通過主控系統(tǒng)進(jìn)行程序加載,對遠(yuǎn)程控制對象進(jìn)行多模式操控,實(shí)現(xiàn)智能控制,傳統(tǒng)的多模式智能控制系統(tǒng)采用Android嵌入式設(shè)計(jì)方法,對I/O接口的控制信號調(diào)理性能不好。提出一種基于ARM的多模式智能控制嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先進(jìn)行了多模式智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和功

能模塊分析,結(jié)合PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法進(jìn)行多模式控制程序加載,然后進(jìn)行了控制系統(tǒng)的功能模塊的硬件部分設(shè)計(jì)。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,采用本文系統(tǒng)進(jìn)行多模式智能控制,穩(wěn)定性較好,精度較高,性能優(yōu)越。

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收稿日期:2015年10月10日,修回日期:2015年11月27日

基金項(xiàng)目:2012廣東省質(zhì)量工程人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目(編號:粵教高函[2012]204號);2014年度廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目(編號:pdjh2015b0938);2014年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(編號:201413656005);2012廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目“機(jī)電綜合技能實(shí)訓(xùn)中心”(編號:粵教高函[2012]204號)資助。

作者簡介:陸興華,男,碩士,講師,研究方向:計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制算法、人工智能。范太霖,男,研究方向:自動控制技術(shù)、嵌入式硬件設(shè)計(jì)、人工智能。謝振漢,男,研究方向:嵌入式技術(shù)、單片機(jī)開發(fā)。

中圖分類號TP273

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.024

Embedded System Design of Multi Mode Intelligent Control Based on ARM

LU XinghuaFAN TailinXIE Zhenhan

(Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou511325)

AbstractMulti mode intelligent control system has great application prospect in the field of remote intelligent home control, mechanical and electrical control. The traditional multi mode intelligent control system adopts Android embedded design method, and the control signal of I/O interface is not good. A design method of multi mode intelligent control embedded system based on ARM is proposed. Firstly, the overall design and function module of the multi mode intelligent control system is analyzed. Using ADI ARM11 as the main control system, WiFi or GPRS is used to transmit data and control command output. The PID neural network control algorithm is used to load the system. The hardware circuit design of the control system is carried out. The simulation results show that the system has better control accuracy, it has better real-time performance and better convergence performance, and the performance is reliable and stable.

Key WordsARM, intelligent control, embedded, system design