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模糊逻辑控制是智能控制的重要组成部分,近年来FPGA技术及EDA技术的快速发展为其硬件实现开辟了广阔的前景。由于FPGA芯片集成度高,开发周期短,可重用性强等特点,基于FPGA的模糊逻辑控制在智能商品、智能家电、智能交通控制等领域拥有巨大的市场应用价值。
本文主要研究了基于FPGA的模糊逻辑芯片的设计。首先利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱进行设计和仿真,然后是基于FPGA的模糊逻辑控制芯片的具体设计,在此过程中探讨了两种设计方法。
一、快速查表法。此种方法是通过离线计算出模糊控制查询表,然后在FPGA上编程实现。对于离线计算部分,首先利用C语言程序生成所需的模糊控制查询表,然后将生成的模糊控制查询表在QUARTUSⅡ软件平台上编程实现。
二、在线推理法。这是将模糊逻辑推理过程在QUARTUSⅡ软件平台上直接编程实现。按照模糊控制器的基本结构,将设计模块分成三大模块:模糊化,模糊推理,反模糊化。为了提高算法的通用性和实用性,尽可能的节省芯片资源,本文隶属度函数设计为论域可调的三角函数,通过多分支选择判断结构直接求出输入变量值对应的隶属度和语言变量。在模糊推理模块中,外部采用循环结构,内部采用多分支判断选择结构求出输出语言变量对应的隶属度值,同时进行Min-Max推理运算得到输出控制的模糊量。在反模糊化模块中,通过反模糊化函数选择器设置三种反模糊化的方法:重心法,最大隶属度法,中位数法。用户根据需要可方便选择使用。
本文设计的基于FPGA模糊逻辑控制芯片采用自顶向下的设计方法,运用VHDL硬件描述语言在系统级上进行设计,并利用QUARTUSⅡ软件平台对每一个功能模块进行仿真和验证。联合仿真在离散点上的输出结果与模糊控制查询表的结果基本一致,证明了其有效性。