1、NLX230型型模糊控制器器及其嵌入式式應(yīng)用研究 1 引言 在自自動(dòng)控制領(lǐng)域域，模糊控制制理論及其應(yīng)應(yīng)用的研究取取得了很大的的進(jìn)展，美國(guó)國(guó)NeuraaLogixx公司推出的的NLX2330型單片模模糊控制器是是一種可編程程的超大規(guī)模模集成模糊邏邏輯微處理器器FMC（FFuzzy Microo Conttrolleer），根據(jù)據(jù)模糊邏輯原原理對(duì)輸入條條件進(jìn)行模糊糊邏輯運(yùn)算，得得到最優(yōu)的動(dòng)動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)執(zhí)行并行操作作控制輸出，其其處理速度高高達(dá)30M規(guī)規(guī)則/秒，具具有與計(jì)算機(jī)機(jī)的接口電路路、與外接EEEPROMM的接口電路路和晶體振蕩蕩器接口電路路，可廣泛應(yīng)應(yīng)用于過(guò)程嵌嵌入式控制、模模式匹配，人人工

2、智能，機(jī)機(jī)器人及專家家系統(tǒng)。 22 NLX2230的設(shè)計(jì)計(jì)特點(diǎn)與工作作原理 模糊糊邏輯在控制制領(lǐng)域的應(yīng)用用原理是利用用模糊邏輯器器件通過(guò)項(xiàng)項(xiàng)和規(guī)則則去構(gòu)造任任意復(fù)雜的線線性和非線性性函數(shù)，再根根據(jù)輸入狀態(tài)態(tài)經(jīng)過(guò)模糊推推理，找到最最佳的輸出動(dòng)動(dòng)作值并應(yīng)用用于控制過(guò)程程，從而使模模糊邏輯獲得得類似于人類類專家似然推推理的能力。 NLX2330基于條件件用模糊邏輯輯規(guī)則計(jì)算出出優(yōu)化的輸出出操作。輸入入值在用戶定定義的隸屬函函數(shù)中按適合合的程度排序序。為了實(shí)施施有效的數(shù)字字化，采用11個(gè)線性對(duì)稱稱隸屬函數(shù)或或最簡(jiǎn)單的最最大/最小模模糊參考方法法，規(guī)則決定定了在輸入時(shí)時(shí)所需的狀態(tài)態(tài)集，每一規(guī)規(guī)則至多包含

3、含16個(gè)項(xiàng)，每每1個(gè)項(xiàng)與11個(gè)清晰輸入/模糊糊隸屬函數(shù)配配對(duì)。1個(gè)當(dāng)當(dāng)前值是對(duì)用用戶在某一規(guī)規(guī)則下的輸出出值合計(jì)的修修改。對(duì)于所所有的輸入和和輸出，輸入入排序與規(guī)則則處理是并行行的。單片式式24位寬的的規(guī)則存儲(chǔ)器器最多可存664個(gè)規(guī)則，所所有輸入都可可共享這些規(guī)規(guī)則。根據(jù)需需要每個(gè)輸出出可以被編程程為最多用664個(gè)規(guī)則，任任一個(gè)輸出所所用的規(guī)則個(gè)個(gè)數(shù)是其他規(guī)規(guī)則所用的規(guī)規(guī)則的剩余數(shù)數(shù)。模糊邏輯輯原理的高效效數(shù)字化實(shí)現(xiàn)現(xiàn)使NLX2230在低價(jià)價(jià)格下獲得高高處理速度（330M規(guī)則/秒）。 22.1 距離離測(cè)量的相似似判決原理 NLX2330型單片模模糊集成控制制器利用模糊糊邏輯元件將將輸入與隸屬屬

4、度函數(shù)結(jié)合合起來(lái)，確定定輸入對(duì)于被被選定的隸屬屬函數(shù)中心值值的距離，通通過(guò)距離測(cè)量量進(jìn)行相似決決策。由于最最佳隸屬函數(shù)數(shù)的形狀與系系統(tǒng)中傳感器器特性、控制制響應(yīng)及其他他動(dòng)態(tài)特性有有關(guān)，因而確確定最佳隸屬屬函數(shù)形狀往往往是很困難難的（當(dāng)然，在在某些情況下下可以根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)確定）。NNLX2300型單片模糊糊控制器在設(shè)設(shè)計(jì)上采取了了一種新的方方法，不依賴賴隸屬函數(shù)的的形狀和確值值輸入與隸屬屬函數(shù)的交點(diǎn)點(diǎn)，而且測(cè)算算出輸入與選選定的隸屬函函數(shù)的中心點(diǎn)點(diǎn)的距離，其其原理如圖11所示。不考考慮隸屬函數(shù)數(shù)的區(qū)間和輸輸入的單調(diào)，而而測(cè)量輸出與與中間位置的的距離，距離離用中心位置置減去輸入，忽忽略符號(hào)。確確值輸

5、入Xaa離中心點(diǎn)越越遠(yuǎn)，其隸屬屬值越低，反反之，其隸屬屬值越高。當(dāng)當(dāng)確值輸入XXa正好位于于中心點(diǎn)位置置時(shí)，則隸屬屬值最大。 有二種不同類型型的隸屬函數(shù)數(shù)，對(duì)于第一一種隸屬函數(shù)數(shù)，確值輸入入離中心點(diǎn)愈愈近，隸屬值值愈大，如果果確值輸入落落入隸屬函數(shù)數(shù)的寬度范圍圍之外，那么么隸屬值最小小。對(duì)于第二二隸屬函數(shù)，當(dāng)當(dāng)確值輸入落落入隸屬函數(shù)數(shù)的寬度范圍圍之內(nèi)時(shí)隸屬屬值最小。距距離測(cè)量的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)有二：其其一是使設(shè)計(jì)計(jì)者在保留重重要信息的同同時(shí)不必決定定復(fù)雜隸屬函函數(shù)的形狀；其二是這種種方法提供了了相似判決的的簡(jiǎn)單途徑。2.2 確值輸入向模糊邏輯量的轉(zhuǎn)換 確值輸入向模糊邏輯量的轉(zhuǎn)換是通過(guò)測(cè)量距離的相似判決模

6、糊邏輯單元實(shí)現(xiàn)的，在相似判決模糊邏輯單元內(nèi)求取隸屬值的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。模糊邏輯單元內(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)模糊邏輯量，用（或d）表示。 3 NLX2330的內(nèi)部結(jié)結(jié)構(gòu)和引腳功功能 NLXX230型模模糊控制器的的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如如圖3所示，它它由模糊輸入入選擇器，116個(gè)模糊單單元、最小和和最大比較器器、規(guī)則寄存存器、輸出寄寄存器和定時(shí)時(shí)控制等部分分組成，完成成模

7、糊推理運(yùn)運(yùn)算并作出控控制決策。3.1 模糊輸輸入選擇器和和模糊單元 8選1多路路選擇器控制制N LX2230中166個(gè)模糊單元元的每個(gè)單元元的輸入。模模糊單元求取取輸入量對(duì)用用戶所定義的的隸屬函數(shù)的的隸屬度。每每個(gè)模糊單元元從8個(gè)外部部輸入中任選選1個(gè)作為輸輸入數(shù)據(jù)（11個(gè)模糊單元元只能訪問(wèn)11個(gè)輸入數(shù)據(jù)據(jù)）。把模糊糊單元組態(tài)構(gòu)構(gòu)成輸出反饋饋到輸入的形形式，可不處處理外部輸入入。把一個(gè)輸輸入同1個(gè)隸隸屬函數(shù)聯(lián)系系起來(lái)構(gòu)成11個(gè)項(xiàng)，NLLX230最最多可支持116個(gè)項(xiàng)。每每個(gè)模糊單元元的結(jié)構(gòu)如圖圖2所示，含含有1個(gè)166位的項(xiàng)寄存存器，包括88位的中心值值、5位的寬寬度值及3位位的輸入選擇擇組態(tài)

8、（完成成對(duì)8個(gè)外部部輸入中任11個(gè)輸入的選選擇）。每個(gè)個(gè)模糊單元計(jì)計(jì)算輸入值與與用戶定義的的中心點(diǎn)的距距離，完成輸輸入確值量到到模糊邏輯量量的轉(zhuǎn)換。這這樣，每1個(gè)個(gè)模糊單元與與1個(gè)8位中中心位置相聯(lián)聯(lián)，計(jì)算出距距離后，其結(jié)結(jié)果與用戶定定義的寬度相相比較，5位位的寬度值代代表輸入離中中心位置的最最遠(yuǎn)距離，如如果輸入的距距離小于或等等于此寬度，那那么輸入被認(rèn)認(rèn)為是隸屬函函數(shù)的一部分分，距離的求求補(bǔ)得到隸屬屬函數(shù)度。求求補(bǔ)就是300減去距離（330是最大寬寬度，）輸入入離中心越近近，隸屬值越越高，落在寬寬度內(nèi)的隸屬屬值被傳到最最小比較器來(lái)來(lái)進(jìn)行規(guī)則處處理。 當(dāng)輸輸入等于中心心值時(shí)，模糊糊單元輸出最最

9、大值31；當(dāng)輸入落在在寬度范圍以以外時(shí)，模糊糊輸出值為00，表示完全全沒(méi)有關(guān)系。 3.2 最最小值比較器器和最大值比比較器 NLLX230的的最小值比較較器是由高流流通量的神經(jīng)經(jīng)元網(wǎng)路執(zhí)行行的，以適合合高速的數(shù)據(jù)據(jù)量。64條條規(guī)則分別存存儲(chǔ)在64個(gè)個(gè)規(guī)則寄存器器中，每個(gè)規(guī)規(guī)則寄存器字字有24位，其其前16位分分別用來(lái)完成成每個(gè)模糊單單元的輸出對(duì)對(duì)最小比較器器的使能。每每個(gè)規(guī)則位固固定對(duì)應(yīng)1個(gè)個(gè)模糊單元。當(dāng)當(dāng)1個(gè)規(guī)則位位被置1，則則此規(guī)則包含含該項(xiàng)，相應(yīng)應(yīng)的模糊單元元輸出可與其其他置1的規(guī)規(guī)則位相比較較以找出最小小項(xiàng)。某個(gè)規(guī)規(guī)則的最小項(xiàng)項(xiàng)一旦被找到到，就儲(chǔ)存在在NLX2330最大值比比較器的暫存

10、存寄存器中，對(duì)對(duì)應(yīng)被處理的的每一規(guī)則經(jīng)經(jīng)處理所得最最小項(xiàng)與暫存存于最大值寄寄存器中的值值進(jìn)行比較，去去小存大；當(dāng)當(dāng)處理完所有有規(guī)則，最大大值寄存器中中的結(jié)果是所所有最小項(xiàng)中中的最大值，該該值對(duì)應(yīng)的規(guī)規(guī)則為取勝規(guī)規(guī)則，代表11個(gè)模糊邏輯各結(jié)果果的和。取勝勝規(guī)則的當(dāng)前前值（動(dòng)作值值）送到模糊糊量與確值量量的轉(zhuǎn)換單元元（輸出寄存存器），經(jīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)進(jìn)行模糊控制制。 當(dāng)前值值定義在每個(gè)個(gè)規(guī)則寄存器器字的8個(gè)保保留位，代表表輸出動(dòng)作值值所需的修正正量，動(dòng)作修修正值是1個(gè)個(gè)8位二進(jìn)制制補(bǔ)碼值為1281127。從規(guī)規(guī)則寄存器字字來(lái)的8位動(dòng)動(dòng)作修正值與與用戶定義的的初值相加。例例如，初始值值為100，動(dòng)動(dòng)

11、作修正值為為5，則輸輸出為95。 3.3 規(guī)規(guī)則寄存器和和輸出寄存器器 規(guī)則寄存存器用于存放放控制規(guī)則，NNLX2300最多可存放放64條規(guī)則則。輸出寄存存器為總線使使能方式，只只要處理了所所有的規(guī)則，規(guī)規(guī)則寄存器的的8位補(bǔ)碼修修正值與初始始值之和，飽飽和算數(shù)運(yùn)算算使輸出位取取模128（當(dāng)當(dāng)前值使輸出出高于或低于于界限1228和1277），輸出即即由模糊量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為確值量量，模糊控制制器在輸入下下一組數(shù)據(jù)的的同時(shí)輸出結(jié)結(jié)果數(shù)據(jù)。 3.4 NNLX2300的引腳功能能 NLX2230采用440引腳雙列列直插式封裝裝，如圖4所所示。RSTT是系統(tǒng)復(fù)位位腳，低電平平有效。DII0DI77是8位數(shù)據(jù)據(jù)輸

12、入口。VVSS是地。SSK是串行時(shí)時(shí)鐘腳，用于于將組態(tài)數(shù)據(jù)據(jù)打入FMCC（M/S0時(shí)，該腳腳輸出）。CCS是片選，與與M/S和RR/W聯(lián)用使使能串行數(shù)據(jù)據(jù)輸入/輸出出（M/S1時(shí)輸出，MM/S0時(shí)時(shí)輸入）。DDI是串行數(shù)數(shù)據(jù)輸入腳。DDO是串行數(shù)數(shù)據(jù)輸出腳。MM/S是主/從模式選擇擇（M/S1時(shí)為主動(dòng)動(dòng)模式；M/S0時(shí)為為伺服模式）。RR/W是讀/寫(xiě)輸入腳，僅僅用于伺服模模式（R11為讀；W0為寫(xiě)）。NNC是空腳，必必須接地。XXI為晶體振振蕩器輸入腳腳。XO為晶晶體振蕩器輸輸出腳。CLLK是緩沖系系統(tǒng)時(shí)鐘輸出出腳。STBB是選通腳，與與MA0MMA2聯(lián)用以以選通輸入/輸出數(shù)據(jù)。MMA2是輸入

13、入/輸出多路路傳輸?shù)刂?2輸出腳。MMA1是輸入入/輸出多路路傳輸?shù)刂肺晃?輸出腳。MMA0是輸入入/輸出多路路傳輸?shù)刂肺晃?輸出腳。DDO7DOO0為數(shù)據(jù)輸輸出腳。VDDD是5VV電源腳。 4 NLX2330模糊控制制器的工作模模式 NLXX230模糊糊控制器的工工作模式有模模糊單元模式式、輸入模式式、輸出模式式及輸入輸出出擴(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(guò)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(lái)加權(quán)規(guī)則項(xiàng)。 4.2 輸入模式 NLX230的

14、輸入即可以是來(lái)自8個(gè)分時(shí)多路輸入引腳的信號(hào)又可以是輸出的內(nèi)部反饋信號(hào)，二種輸入模式通過(guò)輸入組態(tài)寄存器選擇。 4.3 輸出模式 NLX230的每個(gè)輸出可以配置為立即輸出和累加輸出二種組態(tài)。在立即輸出模式中，由取勝規(guī)則（該規(guī)則帶有最大的最小項(xiàng)）所特指的動(dòng)作值加上初始值。對(duì)NLX230的工作周期，原始的初始值都被用來(lái)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(dòng)作值（此動(dòng)作值由獲勝規(guī)則所決定）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(jí)聯(lián)使用能夠擴(kuò)展輸入、輸出、模糊單元和規(guī)則的

15、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(dòng)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提供了所需的時(shí)鐘輸出。 5 NLX230的操作方式 NLX230的操作模式通過(guò)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(dòng)方式（NLX230自動(dòng)從外部EEPROM中讀取數(shù)據(jù)）和從動(dòng)方式（NLX230等待外部邏輯電路讀寫(xiě)數(shù)據(jù)）。 5.1 主動(dòng)方式 主動(dòng)方式是在復(fù)位引腳由1變?yōu)?和M/S為1時(shí)使NLX230開(kāi)始1個(gè)自動(dòng)卸載周期。NLX230通過(guò)時(shí)鐘SK的發(fā)生、片選使能和地址（DO）的發(fā)生來(lái)尋址2048位的串行EEPROM。NLX230輸出串行時(shí)鐘（SK

16、）并維持片選（CS），接著出現(xiàn)讀標(biāo)志，7位地址在DO輸出引腳出現(xiàn)，NLX230立即開(kāi)始在DI引腳輸入16位數(shù)據(jù)，該過(guò)程持續(xù)進(jìn)行到NLX230已經(jīng)輸入128個(gè)數(shù)據(jù)字（16282048），之后片選失效。這個(gè)組態(tài)周期的下1個(gè)工作是由NLX230處理出現(xiàn)在輸入引腳（DI0DI7）上的數(shù)據(jù)。 5.2 從動(dòng)（伺服）方式 M/S為0時(shí)，NLX230處于從動(dòng)（伺服）模式，由外部控制邏輯提供SK、CS、R/W等信號(hào)。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(guò)程。然后，在SK的上升沿由DI引腳輸入數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)位（2048）順序?qū)懭牒?，CS變?yōu)榈碗娖剑辉赟K的上升沿之前，保持R/W和CS信號(hào)為

17、高電平以觸發(fā)加載過(guò)程。然后，在SK的上升沿由DO引腳輸出數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)位（2048）被順序讀出后，CS變?yōu)榈碗娖健Ｔ诖行遁d或加載周期之后，需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)（保持為低電平）以清除內(nèi)部數(shù)據(jù)通道。 6 應(yīng)用接口 6.1 NLX230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(hào)同步的1個(gè)幀信號(hào)；串行EEPROM接口由數(shù)據(jù)輸入（DI）、片選（CS）、時(shí)鐘（SK）和讀寫(xiě)（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)

18、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(hào)：DI、CS、DO、SK、R/W。圖5所示為典型的控制系統(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)用控制系統(tǒng)。MUX地址腳MA（2：0）、選通腳STB及動(dòng)態(tài)輸入或輸出通道的譯碼由NLX230提供。NLX230提供所有必要的信號(hào)，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)例是是玩具電動(dòng)汽汽車自動(dòng)駕駛駛控制系統(tǒng)。根根據(jù)輸入由NNLX2300提供決策輸輸出，由控制制規(guī)則控制不不同路面環(huán)境境下的速度與與方