NLX230型模糊控制器及其嵌入式应用研究

NLX230型模糊把握器及其嵌入式应用争辩1引言

ﻫ在自动把握领域,模糊把握理论及其应用的争辩取得了很大的进展,美国NeuraLoｇｉx公司推出的NLX２3０型单片模糊把握器是一种可编程的超大规模集成模糊规律微处理器FＭC(FuｚzyMiｃｒｏContｒolｌer）,依据模糊规律原理对输入条件进行模糊规律运算,得到最优的动作,通过执行并行操作把握输出,其处理速度高达30M规章/秒,具有与计算机的接口电路、与外接ＥEPＲOM的接口电路和晶体振荡器接口电路,可广泛应用于过程嵌入式把握、模式匹配，人工智能,机器人及专家系统。ﻫ

２NLX２3０的设计特点与工作原理ﻫﻫ模糊规律在把握领域的应用原理是利用模糊规律器件通过＂项＂和"规章＂去构造任意简单的线性和非线性函数，再依据输入状态经过模糊推理,找到最佳的输出动作值并应用于把握过程，从而使模糊规律获得类似于人类专家似然推理的力量。ﻫﻫNLX230基于条件用模糊规律规章计算出优化的输出操作。输入值在用户定义的隶属函数中按适合的程度排序。为了实施有效的数字化，接受1个线性对称隶属函数或最简洁的最大/最小模糊参考方法,规章打算了在输入时所需的状态集,每一规章至多包含１6个项,每1个项与1个"清楚"输入/模糊隶属函数配对。1个当前值是对用户在某一规章下的输出值合计的修改。对于全部的输入和输出,输入排序与规章处理是并行的。单片式2４位宽的规章存储器最多可存６４个规章,全部输入都可共享这些规章。依据需要每个输出可以被编程为最多用6４个规章,任一个输出所用的规章个数是其他规章所用的规章的剩余数。模糊规律原理的高效数字化实现使ＮＬX230在低价格下获得高处理速度(３0Ｍ规章/秒)。

ﻫ2．1距离测量的相像判决原理

ﻫNＬＸ２３0型单片模糊集成把握器利用模糊规律元件将输入与隶属度函数结合起来,确定输入对于被选定的隶属函数中心值的距离,通过距离测量进行相像决策。由于最佳隶属函数的外形与系统中传感器特性、把握响应及其他动态特性有关,因而确定最佳隶属函数外形往往是很困难的(当然，在某些状况下可以依据阅历确定)。NLＸ２3０型单片模糊把握器在设计上实行了一种新的方法,不依靠隶属函数的外形和确值输入与隶属函数的交点,而且测算出输入与选定的隶属函数的中心点的距离,其原理如图1所示。不考虑隶属函数的区间和输入的单调,而测量输出与中间位置的距离,距离用中心位置减去输入，忽视符号。确值输入Ｘａ离中心点越远,其隶属值越低,反之，其隶属值越高。当确值输入Ｘａ正好位于中心点位置时,则隶属值最大。有二种不同类型的隶属函数,对于第一种隶属函数，确值输入离中心点愈近，隶属值愈大，假如确值输入落入隶属函数的宽度范围之外,那么隶属值最小。对于其次隶属函数,当确值输入落入隶属函数的宽度范围之内时隶属值最小。距离测量的优点有二：其一是使设计者在保留重要信息的同时不必打算简单隶属函数的外形;其二是这种方法供应了相像判决的简洁途径。ﻫﻫ２.2确值输入向模糊规律量的转换ﻫﻫ确值输入向模糊规律量的转换是通过测量距离的相像判决模糊规律单元实现的，在相像判决模糊规律单元内求取隶属值的电路结构如图2所示。模糊规律单元内被选定的隶属函数中心点值和确值输入送进减法器计算出差值ac,该差值与隶属函数宽度值相比较，只有当差值在宽度范围内时,隶属值计算器才输出结果(该结果等于从允许的最大隶属值中减去差值ａｃ,如图１所示）,否则,隶属值计算器输出将被置零或置最小值。隶属值实际上是1个模糊规律量，用μ（或ｄ)表示。３NＬX２30的内部结构和引脚功能ﻫﻫＮLＸ２30型模糊把握器的内部结构如图3所示,它由模糊输入选择器,１6个模糊单元、最小和最大比较器、规章寄存器、输出寄存器和定时把握等部分组成,完成模糊推理运算并作出把握决策。３．1模糊输入选择器和模糊单元ﻫﻫ8选1多路选择器把握NLX2３０中1６个模糊单元的每个单元的输入。模糊单元求取输入量对用户所定义的隶属函数的隶属度。每个模糊单元从８个外部输入中任选1个作为输入数据(1个模糊单元只能访问１个输入数据)。把模糊单元组态构成输出反馈到输入的形式,可不处理外部输入。把一个输入同1个隶属函数联系起来构成1个项,NLX2３0最多可支持16个项。每个模糊单元的结构如图2所示,含有1个16位的项寄存器，包括８位的中心值、５位的宽度值及3位的输入选择组态(完成对８个外部输入中任1个输入的选择）。每个模糊单元计算输入值与用户定义的中心点的距离，完成输入确值量到模糊规律量的转换。这样，每１个模糊单元与1个８位中心位置相联，计算出距离后,其结果与用户定义的宽度相比较,5位的宽度值代表输入离中心位置的最远距离,假如输入的距离小于或等于此宽度，那么输入被认为是隶属函数的一部分,距离的求补得到隶属函数度。求补就是3０减去距离(３0是最大宽度,）输入离中心越近,隶属值越高,落在宽度内的隶属值被传到最小比较器来进行规章处理。ﻫ

当输入等于中心值时,模糊单元输出最大值31;当输入落在宽度范围以外时,模糊输出值为0,表示完全没有关系。ﻫﻫ3．２最小值比较器和最大值比较器ﻫﻫＮＬX２3０的最小值比较器是由高流通量的神经元网路执行的,以适合高速的数据量。６4条规章分别存储在6４个规章寄存器中,每个规章寄存器字有24位,其前1６位分别用来完成每个模糊单元的输出对最小比较器的使能。每个规章位固定对应１个模糊单元。当１个规章位被置１,则此规章包含该项,相应的模糊单元输出可与其他置1的规章位相比较以找出最小项。ﻫﻫ某个规章的最小项一旦被找到，就储存在ＮLX2３0最大值比较器的暂存寄存器中，对应被处理的每一规章经处理所得最小项与暂存于最大值寄存器中的值进行比较,去小存大;当处理完全部规章，最大值寄存器中的结果是全部最小项中的最大值，该值对应的规章为取胜规章,代表1个＂模糊"规律各结果的和。取胜规章的当前值（动作值)送到模糊量与确值量的转换单元（输出寄存器），经转换处理后进行模糊把握。ﻫﻫ当前值定义在每个规章寄存器字的8个保留位，代表输出动作值所需的修正量，动作修正值是1个8位二进制补码值为-12８~１２７。从规章寄存器字来的8位动作修正值与用户定义的初值相加。例如,初始值为100,动作修正值为-５,则输出为95。ﻫﻫ3．3规章寄存器和输出寄存器ﻫﻫ规章寄存器用于存放把握规章,ＮＬX230最多可存放６4条规章。输出寄存器为总线使能方式，只要处理了全部的规章，规章寄存器的8位补码修正值与初始值之和,饱和算数运算使输出位取模1２８(当前值使输出高于或低于界限-１28和1２7）,输出即由模糊量转换为确值量,模糊把握器在输入下一组数据的同时输出结果数据。ﻫﻫ3.４NLＸ230的引脚功能ﻫﻫNＬX２30接受40引脚双列直插式封装,如图4所示。RST是系统复位脚,低电平有效。ＤI0-DI7是８位数据输入口。VSＳ是地。SK是串行时钟脚,用于将组态数据打入ＦＭC(Ｍ/S＝0时,该脚输出)。CＳ是片选,与M／S和R/W联用使能串行数据输入/输出(M/S=1时输出,M／S＝0时输入)。DI是串行数据输入脚。DO是串行数据输出脚。M/S是主／从模式选择（M/S＝1时为主动模式;M/S=０时为伺服模式)。R/W是读/写输入脚，仅用于伺服模式(R=1为读；W=0为写)。ＮＣ是空脚，必需接地。ＸＩ为晶体振荡器输入脚。ＸＯ为晶体振荡器输出脚。ＣＬＫ是缓冲系统时钟输出脚。SＴB是选通脚,与ＭA０-ＭＡ２联用以选通输入/输出数据。ＭＡ2是输入／输出多路传输地址２输出脚。MA1是输入/输出多路传输地址位１输出脚。MA0是输入／输出多路传输地址位0输出脚。DＯ7-ＤO0为数据输出脚。ＶDD是＋5Ｖ电源脚。

4NLＸ23０模糊把握器的工作模式

ﻫNLＸ2３０模糊把握器的工作模式有模糊单元模式、输入模式、输出模式及输入输出扩展应用。ﻫﻫ4．１模糊单元模式ﻫ

在模糊单元模式下有二种方式，典型应用为模糊单元的输出表示每一个输入接近中心位置的程度；另一种方式是将ＮLＸ23０组态成为不包含模糊单元，通过使用不包含模糊单元的工作方式可用输入与中心位置的距离来加权规章项。ﻫﻫ４.2输入模式ﻫﻫNLＸ2３０的输入即可以是来自8个分时多路输入引脚的信号又可以是输出的内部反馈信号，二种输入模式通过输入组态寄存器选择。ﻫﻫ４.3输出模式ﻫﻫＮＬX230的每个输出可以配置为马上输出和累加输出二种组态。在马上输出模式中，由取胜规章（该规章带有最大的最小项)所特指的动作值加上初始值。对NLＸ2３０的工作周期，原始的初始值都被用来计算输出。在累加输出模式中,1个输出的新值是加了新动作值(此动作值由获胜规章所打算)的现在值。在这个模式中,新输入值被保留作为初始我用于下１个输出值的计算。用户定义的原始初始值仅在复位后计算第一个输出值时被使用。ﻫﻫ４.4扩展ﻫﻫ多个ＮLX230级联使用能够扩展输入、输出、模糊单元和规章的数目。ﻫﻫ４．5时钟ﻫﻫ1个外部时钟源从XI引脚输入可直接驱动NＬＸ230。NＬX230也包含了1个有源振荡器电路用于时钟的发生。ＣLK供应了所需的时钟输出。ﻫﻫ5NＬX23０的操作方式ﻫﻫＮLX２30的操作模式通过初始化完成。复位引脚M/S可设置2种不同结构的操作方式：主动方式(NLX２３0自动从外部ＥEPRＯM中读取数据)和从动方式（ＮＬX230等待外部规律电路读写数据）。

ﻫ５.1主动方式ﻫﻫ主动方式是在复位引脚由"1"变为"0"和Ｍ／Ｓ为"1"时使ＮＬＸ２30开头１个自动卸载周期。NLX２3０通过时钟SＫ的发生、片选使能和地址(ＤＯ)的发生来寻址２０48位的串行EEPRＯM。ＮLＸ23０输出串行时钟（SＫ）并维持片选(CS),接着消灭＂读标志＂，7位地址在DＯ输出引脚消灭，ＮLX23０马上开头在DI引脚输入１6位数据,该过程持续进行到NLX２３０已经输入12８个数据字(16×２8=204８）,之后片选失效。这个组态周期的下1个工作是由NＬX230处理消灭在输入引脚（DＩ0-ＤＩ7）上的数据。ﻫﻫ５．2从动(伺服)方式ﻫﻫＭ/S为"0＂时,NＬX2３0处于从动(伺服)模式，由外部把握规律供应SＫ、CS、R／W等信号。在SK上升沿之前，维持Ｒ/Ｗ为低电平和ＣＳ为高电平以触发卸载过程。然后,在ＳK的上升沿由DI引脚输入数据。全部数据位(2０４8)挨次写入后,CS变为低电平；在ＳK的上升沿之前,保持Ｒ/Ｗ和CＳ信号为高电平以触发加载过程。然后，在ＳK的上升沿由DＯ引脚输出数据。全部数据位(204８）被挨次读出后,ＣS变为低电平。在串行卸载或加载周期之后,需要一个复位信号(保持为低电平）以清除内部数据通道。

ﻫﻫ6应用接口ﻫﻫ6.1NLX230接口功能ﻫﻫNLＸ23０有8个时分多路复用输入脚和8个多路复用输出脚。内部连接输出到输入可以得到反馈路径、外部晶体振荡器或PC电路;输入和输出计数的１个时钟输出;为使外部数据输入信号同步的１个帧信号;串行EＥPRＯM接口由数据输入(DＩ）、片选(CＳ）、时钟(SK）和读写（R/W)引脚组成。当ＮＬX2３0与微机接口时,只需ＤI、CS、DO、SK和R／Ｗ引脚即可。ﻫﻫ6.2数据接口电路ﻫﻫNＬX2３０与微处理器（或单片机）接口只需5个引脚信号：DI、CS、DＯ、ＳK、R/W。图5所示为典型的把握系统数据接口，74３73作为输入/输出数据锁存器,其个数与输入/输出个数相同。NＬＸ２30用于典型的输入/输出为8个8位数值的多路复用把握系统。MUX地址脚MＡ(２:０)、选通脚ＳTＢ及动态输入或输出通道的译码由ＮLX230供应。NLＸ2３０供应全部必要的信号，由典型帧时序图可显示时间关系。输入值从ＤI（７:0)输入的同时输出也在DO(7:０)进行。7应用实例ﻫﻫ应用实例是玩具电动汽车自动驾驶把握系统。依据输入由NLＸ2３0供应决策输出,由把握规章把握不同路面环境下的速度与方向。NLX2３0的开发系统ADＳ23０由软、硬件二部分组成,主要功能是将应用系统的把握规章写成把握规章文件，并转换为有关寄存器的内容写入NLＸ２3０的规章寄存器。ﻫﻫ7.1标号定义ﻫ

DF:前方;DR：右方；ＤL：左方;VＥ:速度;RＯ:路面;DI:方向；FT：油门;BR：刹车;LE:左；EＩ:右;ST:直;DF-ＣL:接近前方;ＤF-ＦＡ:远离前方;DR-FA:远离右方；DL-ＦA:远离左方;VE－ＳＬ:低速;ＶＥ-ME:中速；VE-FＡ:高速；RＡ－WＥ:路面滑；RＯ-ME:路面适度；TＨ－SＬ：抵抗;TH-ＭE:中挡;Ｔ