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[摘要]将控制技术，智能技术，系统辨识，自适应，仿真技术与嵌入式技术融合在一起，构建出基于ARM的通用型嵌入式智能控制器。该控制器可以针对不同的被控对象，自动采取最优控制策略，通过大量的仿真实验，对一定的被控对象具有良好的控制效果，因此该控制器的设计具有良好的应用与发展前景。
[关键词]通用型 嵌入式 智能控制 模式识别
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110029－02
一、引言
从办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域，控制器都有着广泛的应用。现在各种控制领域所应用的控制器大多数还停留在工控机、单片机和PLC所设计的控制器阶段，不仅控制对象单一，相对于现今较高的控制要求是越来越难以满足。原因是工控机体积大并且会带来硬盘可靠性、病毒、操作系统稳定性等问题，从而影响了系统可靠性；单片机的运算速度慢，功耗大及难以进行复杂运算使得其控制的程度不高；PLC的软件界面不直观，闭环控制功能不强，难以实现快速的反馈控制等。
正是基于上述原因，本文作者将控制技术、智能技术、系统辨识、自适应、仿真技术与嵌入式技术融合在一起，构建出基ARM的通用型嵌入式智能控制器，它极大地提高对系统的控制功能,增强系统的抗病毒和抗干扰能力, 并且具有更小的体积、更低的成本、更高的可靠性、更广阔的应用范围，能广泛适用于生产生活的各个领域。
二、总体设计框架
基于ARM的嵌入式通用型智能控制器的总体设计框架如图1所示。
其工作原理如下：首先是通过前向通道的数据采集系统对被控对象进行信号采集，采集来的信号经过一定的信号处理(主要是滤波和放大)后送给计算机进行模式识别，然后根据模式识别的结果自动选取最优控制方案对被控对象进行控制。
模式识别和自动最优控制都是通过软件来实现的，它也是我们所设计的智能控制器的核心部分。
三、基于ARM的嵌入式通用型智能控制器的组成
本控制器由硬件和软件两部分组成，其结构如图2所示。
硬件部分包括嵌入式微处理器芯片、输入模块、输出模块、存储模块、人机交互模块和网络通信模块等组成。
其中基于ARM核的微处理器作为嵌入式通用型智能控制器的核心,用于实现对输入信号的模式识别，以及选取最优控制方案对被控对象进行控制的功能。本控制器的设计中采用PHILIPS公司开发的基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S核的微控制器LPC2210。它具有标准32位ARM指令集和16位THUMB指令集，144管脚封装，具有低成本、低功耗、高性能等优点。LPC2210支持8位、16位、32位总线，可方便实现对存储器的访问；其片内外设也非常丰富，包括：向量中断控制器、16KB片内SRAM、2个32位定时器(带4 路匹配和4 路捕获)、2个符合16C550工业标准的UART口、高速I2C接口、2个SPI接口、实时时钟、看门狗、支持4个RAMBANK，每个BANK可达16MB；片内外设的地址与存储器地址在统一的地址空间编址，方便对外设的访问。[1]
输入模块的作用是将现场各类被控对象的输入信号通过信号处理电路转换成标准电信号送入ARM芯片。输入模块的设计要能够保证信号的完全输入和所有工程信号均可直接输入。输出通道的主要作用是将计算机计算的结果转换成控制信号去控制被控对象，以实现对被控对象的最优控制。
存储模块主要是用于存放系统软件和应用软件，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计的方法来实现软件的设计。
人机交互模块可以让控制器通过键盘、显示设备和触摸屏以更加有效和方便的方式实现人机对话，它包括控制器通过输出设备给用户提供大量相关信息以及用户通过输入设备给控制器输入相关关信息等。
网络通信模块的设计可以让控制器通过网卡芯片RTL8019AS接入以太网。
除上述电路外,硬件设计还需要从抗干扰、防止死循环、提高可靠性、掉电保护等方面加以综合考虑。
本控制器的设计工作大部分都集中在软件设计上，它是整个控制器的核心部分。
本控制器软件系统采用μC/OS-II嵌入式实时操作系统作为其运行平台。开发工具选用ARM公司提供的ADS1.2集成开发环境。μC/OS-II是实时多任务操作系统，具有源代码开放免费，代码短小精练，采用抢占式优先级调度方式，可支持56个用户任务等优点。源代码中与硬件相关部分需要用汇编语言编写，其余大部分源代码用ANSI C语言编写，可移植性强，可以在绝大多数的微处理器上运行。μC/OS-II的可裁剪性非常强,它提供许多系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、时间相关函数等，用户可以根据需要进行裁减，这样可以减少产品中μC/OS-II所需要的存储空间。本控制器采用μC/OS-IIv2.52版本，内核将应用程序与底层硬件有机结合成一个实时系统。移植工作主要集中在与处理器相关的3个文件：OS-CPU.H、OS-CPU-C.C和OS-CPU-A.S。其中OS-CPU.H文件主要包含与编译器相关的数据类型定义、堆栈类型定义、两个宏定义和几个函数说明。OS-CPU-C.C包含与移植有关6个C函数为OS2TaskStkInit（），OSTaskCreateHoo（），OSTaskDelH
Ook（），OSTaskSwHook（）,OSTaskStatHook（），OSTimeT2iCkHook（）。
除第一个任务堆栈初始化函数外，其余的5个函数均为钩子函数，需要声明，没有实际内容，由系统函数调用，以便用户能在操作系统中加入自己需要的功能。OS-CPU-A.S中包含与移植有关的4个汇编语言函数分别是OSStartHighRdy ( )、OSCtxSw（）、OSIntC2txSw（）和OSTickISR（）。[2]
本控制器的软件设计要求实现以下功能：
（1）根据采集的现场信号进行模式识别，对信号的类型进行相应的分类（6类）；
（2）根据信号的类别选取相应的控制方案对信号进行处理；
（3）将处理的结果转换成相应的控制输出信号对被控对象进行控制；
（4）根据需要编写相应的人机交互和网络通信程序。
四、模式识别和控制方案库
生产生活中被控对象的种类繁多，对不同的控制对象只有采取了最合适的控制策略才能取得较好的控制效果。我们可以将模式识别技术引入到我们的设计中，将生产和生活中常见的信号进行通过模式识别进行分类，对每种分类的结果尽可能的去建立其数学模型，通过仿真的技术找到其最佳的控制方案。将各种控制方案集合在一起就构成了控制方案库。通用型智能控制器的控制效果很大程度上决定于其控制方案库。
在本控制器的设计中，作者的控制方案库中包含6种控制策略：4种不同参数整定方法的经典数字PID控制和2种仿人智能控制。
PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中依然是应用最为广泛的控制策略之一。据统计,目前工业控制器中约有90%仍是PID控制器,这是因为PID控制器结构简单,易于实现且对动态过程无需太多的预测知识,鲁棒性强,控制效果基本令人满意 。
经典数字PID参数整定方法经过几十年的发展,很多方法都已经非常成熟且取得了广泛的应用。4：1衰减法和临界比例度法就是在早期工程整定中最常用的两种方法,在近期的整定方法研究中ISTE最优参数整定法和鲁棒PID参数整定法，在工业过程应用中比较实用。仿人智能控制中有参数可调整的模糊PID控制、神经网络PID控制等多种智能控制方案程序。参数可调整的模糊PID控制不仅具有模糊控制系统精度高的优点，还具有控制参数可随运行情况自动进行调整的优点。神经网络PID控制可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳参数组合的PID控制。[3][4]
以上的各种控制方案应根据不同的被控对象，兼顾系统的快速性和鲁棒性，采用不同的控制方法，以取到最优的控制效果。实现上述功能相应的程序流程如图3所示。
五、结论
与传统的控制器的相比,本控制器设计的创新之出在于将模式识别技术应用于系统识别，使的本控制器具有更好的通用性；另外，本控制器采用了ARM芯片作为控制器的核心，使得本控制器具有了嵌入性、智能性和实时性，适合应用于应用于生产和生活的各个方面，因此该控制器的设计具有良好的应用与发展前景。
2007年安徽省高校青年教师资助计划项目：项目批号：2007jq1197
参考文献：
[1]PHILIPS 公司.LPC2210 User Manual[EB/OL].2004.http://www.zlgmcu.
Com.
[2]JEAN J.LABROSSE著，邵贝贝译，嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003:283-333.
[3]王伟、张晶涛、柴天佑，PID 参数先进整定方法综述[J].自动化学报. 2000.26(3):347-355.
[4]张敏.基于MATLAB的PID参数模糊自整定控制器设计及仿真.自动化技术与应用.2005(7):22-24.
[5]吴嘉澍、韩宏、吴忭，基于ARM的PID自整定控制器设计.自动化技术与应用，2005(10):38-41.
[6]张谦，嵌入式通用智能控制器设计.郑州纺织工学院学报.2001(4):40-41.
作者简介：
史艳琼，女，汉族，河北人，安徽淮南联合大学机电系讲师，硕士，研究方向：电气自动化及智能控制。
[关键词]通用型 嵌入式 智能控制 模式识别
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110029－02
一、引言
从办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表到汽车电子、金融电子、工业控制等不同领域，控制器都有着广泛的应用。现在各种控制领域所应用的控制器大多数还停留在工控机、单片机和PLC所设计的控制器阶段，不仅控制对象单一，相对于现今较高的控制要求是越来越难以满足。原因是工控机体积大并且会带来硬盘可靠性、病毒、操作系统稳定性等问题，从而影响了系统可靠性；单片机的运算速度慢，功耗大及难以进行复杂运算使得其控制的程度不高；PLC的软件界面不直观，闭环控制功能不强，难以实现快速的反馈控制等。
正是基于上述原因，本文作者将控制技术、智能技术、系统辨识、自适应、仿真技术与嵌入式技术融合在一起，构建出基ARM的通用型嵌入式智能控制器，它极大地提高对系统的控制功能,增强系统的抗病毒和抗干扰能力, 并且具有更小的体积、更低的成本、更高的可靠性、更广阔的应用范围，能广泛适用于生产生活的各个领域。
二、总体设计框架
基于ARM的嵌入式通用型智能控制器的总体设计框架如图1所示。
其工作原理如下：首先是通过前向通道的数据采集系统对被控对象进行信号采集，采集来的信号经过一定的信号处理(主要是滤波和放大)后送给计算机进行模式识别，然后根据模式识别的结果自动选取最优控制方案对被控对象进行控制。
模式识别和自动最优控制都是通过软件来实现的，它也是我们所设计的智能控制器的核心部分。
三、基于ARM的嵌入式通用型智能控制器的组成
本控制器由硬件和软件两部分组成，其结构如图2所示。
硬件部分包括嵌入式微处理器芯片、输入模块、输出模块、存储模块、人机交互模块和网络通信模块等组成。
其中基于ARM核的微处理器作为嵌入式通用型智能控制器的核心,用于实现对输入信号的模式识别，以及选取最优控制方案对被控对象进行控制的功能。本控制器的设计中采用PHILIPS公司开发的基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S核的微控制器LPC2210。它具有标准32位ARM指令集和16位THUMB指令集，144管脚封装，具有低成本、低功耗、高性能等优点。LPC2210支持8位、16位、32位总线，可方便实现对存储器的访问；其片内外设也非常丰富，包括：向量中断控制器、16KB片内SRAM、2个32位定时器(带4 路匹配和4 路捕获)、2个符合16C550工业标准的UART口、高速I2C接口、2个SPI接口、实时时钟、看门狗、支持4个RAMBANK，每个BANK可达16MB；片内外设的地址与存储器地址在统一的地址空间编址，方便对外设的访问。[1]
输入模块的作用是将现场各类被控对象的输入信号通过信号处理电路转换成标准电信号送入ARM芯片。输入模块的设计要能够保证信号的完全输入和所有工程信号均可直接输入。输出通道的主要作用是将计算机计算的结果转换成控制信号去控制被控对象，以实现对被控对象的最优控制。
存储模块主要是用于存放系统软件和应用软件，采用面向对象技术、软件组件技术、模块化设计的方法来实现软件的设计。
人机交互模块可以让控制器通过键盘、显示设备和触摸屏以更加有效和方便的方式实现人机对话，它包括控制器通过输出设备给用户提供大量相关信息以及用户通过输入设备给控制器输入相关关信息等。
网络通信模块的设计可以让控制器通过网卡芯片RTL8019AS接入以太网。
除上述电路外,硬件设计还需要从抗干扰、防止死循环、提高可靠性、掉电保护等方面加以综合考虑。
本控制器的设计工作大部分都集中在软件设计上，它是整个控制器的核心部分。
本控制器软件系统采用μC/OS-II嵌入式实时操作系统作为其运行平台。开发工具选用ARM公司提供的ADS1.2集成开发环境。μC/OS-II是实时多任务操作系统，具有源代码开放免费，代码短小精练，采用抢占式优先级调度方式，可支持56个用户任务等优点。源代码中与硬件相关部分需要用汇编语言编写，其余大部分源代码用ANSI C语言编写，可移植性强，可以在绝大多数的微处理器上运行。μC/OS-II的可裁剪性非常强,它提供许多系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、时间相关函数等，用户可以根据需要进行裁减，这样可以减少产品中μC/OS-II所需要的存储空间。本控制器采用μC/OS-IIv2.52版本，内核将应用程序与底层硬件有机结合成一个实时系统。移植工作主要集中在与处理器相关的3个文件：OS-CPU.H、OS-CPU-C.C和OS-CPU-A.S。其中OS-CPU.H文件主要包含与编译器相关的数据类型定义、堆栈类型定义、两个宏定义和几个函数说明。OS-CPU-C.C包含与移植有关6个C函数为OS2TaskStkInit（），OSTaskCreateHoo（），OSTaskDelH
Ook（），OSTaskSwHook（）,OSTaskStatHook（），OSTimeT2iCkHook（）。
除第一个任务堆栈初始化函数外，其余的5个函数均为钩子函数，需要声明，没有实际内容，由系统函数调用，以便用户能在操作系统中加入自己需要的功能。OS-CPU-A.S中包含与移植有关的4个汇编语言函数分别是OSStartHighRdy ( )、OSCtxSw（）、OSIntC2txSw（）和OSTickISR（）。[2]
本控制器的软件设计要求实现以下功能：
（1）根据采集的现场信号进行模式识别，对信号的类型进行相应的分类（6类）；
（2）根据信号的类别选取相应的控制方案对信号进行处理；
（3）将处理的结果转换成相应的控制输出信号对被控对象进行控制；
（4）根据需要编写相应的人机交互和网络通信程序。
四、模式识别和控制方案库
生产生活中被控对象的种类繁多，对不同的控制对象只有采取了最合适的控制策略才能取得较好的控制效果。我们可以将模式识别技术引入到我们的设计中，将生产和生活中常见的信号进行通过模式识别进行分类，对每种分类的结果尽可能的去建立其数学模型，通过仿真的技术找到其最佳的控制方案。将各种控制方案集合在一起就构成了控制方案库。通用型智能控制器的控制效果很大程度上决定于其控制方案库。
在本控制器的设计中，作者的控制方案库中包含6种控制策略：4种不同参数整定方法的经典数字PID控制和2种仿人智能控制。
PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中依然是应用最为广泛的控制策略之一。据统计,目前工业控制器中约有90%仍是PID控制器,这是因为PID控制器结构简单,易于实现且对动态过程无需太多的预测知识,鲁棒性强,控制效果基本令人满意 。
经典数字PID参数整定方法经过几十年的发展,很多方法都已经非常成熟且取得了广泛的应用。4：1衰减法和临界比例度法就是在早期工程整定中最常用的两种方法,在近期的整定方法研究中ISTE最优参数整定法和鲁棒PID参数整定法，在工业过程应用中比较实用。仿人智能控制中有参数可调整的模糊PID控制、神经网络PID控制等多种智能控制方案程序。参数可调整的模糊PID控制不仅具有模糊控制系统精度高的优点，还具有控制参数可随运行情况自动进行调整的优点。神经网络PID控制可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳参数组合的PID控制。[3][4]
以上的各种控制方案应根据不同的被控对象，兼顾系统的快速性和鲁棒性，采用不同的控制方法，以取到最优的控制效果。实现上述功能相应的程序流程如图3所示。
五、结论
与传统的控制器的相比,本控制器设计的创新之出在于将模式识别技术应用于系统识别，使的本控制器具有更好的通用性；另外，本控制器采用了ARM芯片作为控制器的核心，使得本控制器具有了嵌入性、智能性和实时性，适合应用于应用于生产和生活的各个方面，因此该控制器的设计具有良好的应用与发展前景。
2007年安徽省高校青年教师资助计划项目：项目批号：2007jq1197
参考文献：
[1]PHILIPS 公司.LPC2210 User Manual[EB/OL].2004.http://www.zlgmcu.
Com.
[2]JEAN J.LABROSSE著，邵贝贝译，嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[M].北京:北京航空航天大学出版社，2003:283-333.
[3]王伟、张晶涛、柴天佑，PID 参数先进整定方法综述[J].自动化学报. 2000.26(3):347-355.
[4]张敏.基于MATLAB的PID参数模糊自整定控制器设计及仿真.自动化技术与应用.2005(7):22-24.
[5]吴嘉澍、韩宏、吴忭，基于ARM的PID自整定控制器设计.自动化技术与应用，2005(10):38-41.
[6]张谦，嵌入式通用智能控制器设计.郑州纺织工学院学报.2001(4):40-41.
作者简介：
史艳琼，女，汉族，河北人，安徽淮南联合大学机电系讲师，硕士，研究方向：电气自动化及智能控制。