摘要：美國(guó)NeuraLogix公司的單片集成NLX230型模糊控制器是一種可編程的超大規(guī)模模糊邏輯處理器，處理速度高達(dá)30M規(guī)則/秒，可廣泛應(yīng)用于過(guò)程嵌入式控制、模式匹配、人工智能、機(jī)器人及專家系統(tǒng)等。文中介紹NLX230的邏輯設(shè)計(jì)特點(diǎn)、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性、工作模式和應(yīng)用接口設(shè)計(jì)，最后舉例說(shuō)明了NLX230的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：模糊邏輯；模糊控制器；NLX230；接口設(shè)計(jì)；嵌入式應(yīng)用

1   引言
       在自動(dòng)控制領(lǐng)域，模糊控制理論及其應(yīng)用的研究取得了很大的進(jìn)展，美國(guó)NeuraLogix公司推出的NLX230型單片模糊控制器是一種可編程的超大規(guī)模集成模糊邏輯微處理器FMC（Fuzzy Micro Controller），根據(jù)模糊邏輯原理對(duì)輸入條件進(jìn)行模糊邏輯運(yùn)算，得到最優(yōu)的動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)行并行操作控制輸出，其處理速度高達(dá)30M規(guī)則/秒，具有與計(jì)算機(jī)的接口電路、與外接EEPROM的接口電路和晶體振蕩器接口電路，可廣泛應(yīng)用于過(guò)程嵌入式控制、模式匹配，人工智能，機(jī)器人及專家系統(tǒng)。

2  NLX230的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與工作原理
      模糊邏輯在控制領(lǐng)域的應(yīng)用原理是利用模糊邏輯器件通過(guò)"項(xiàng)"和"規(guī)則"去構(gòu)造任意復(fù)雜的線性和非線性函數(shù)，再根據(jù)輸入狀態(tài)經(jīng)過(guò)模糊推理，找到最佳的輸出動(dòng)作值并應(yīng)用于控制過(guò)程，從而使模糊邏輯獲得類似于人類專家似然推理的能力。
  
      NLX230基于條件用模糊邏輯規(guī)則計(jì)算出優(yōu)化的輸出操作。輸入值在用戶定義的隸屬函數(shù)中按適合的程度排序。為了實(shí)施有效的數(shù)字化，采用1個(gè)線性對(duì)稱隸屬函數(shù)或最簡(jiǎn)單的最大/最小模糊參考方法，規(guī)則決定了在輸入時(shí)所需的狀態(tài)集，每一規(guī)則至多包含16個(gè)項(xiàng)，每1個(gè)項(xiàng)與1個(gè)"清晰"輸入/模糊隸屬函數(shù)配對(duì)。1個(gè)當(dāng)前值是對(duì)用戶在某一規(guī)則下的輸出值合計(jì)的修改。對(duì)于所有的輸入和輸出，輸入排序與規(guī)則處理是并行的。單片式24位寬的規(guī)則存儲(chǔ)器最多可存64個(gè)規(guī)則，所有輸入都可共享這些規(guī)則。根據(jù)需要每個(gè)輸出可以被編程為最多用64個(gè)規(guī)則，任一個(gè)輸出所用的規(guī)則個(gè)數(shù)是其他規(guī)則所用的規(guī)則的剩余數(shù)。模糊邏輯原理的高效數(shù)字化實(shí)現(xiàn)使NLX230在低價(jià)格下獲得高處理速度（30M規(guī)則/秒）。

2.1 距離測(cè)量的相似判決原理
      NLX230型單片模糊集成控制器利用模糊邏輯元件將輸入與隸屬度函數(shù)結(jié)合起來(lái)，確定輸入對(duì)于被選定的隸屬函數(shù)中心值的距離，通過(guò)距離測(cè)量進(jìn)行相似決策。由于最佳隸屬函數(shù)的形狀與系統(tǒng)中傳感器特性、控制響應(yīng)及其他動(dòng)態(tài)特性有關(guān)，因而確定最佳隸屬函數(shù)形狀往往是很困難的（當(dāng)然，在某些情況下可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定）。NLX230型單片模糊控制器在設(shè)計(jì)上采取了一種新的方法，不依賴隸屬函數(shù)的形狀和確值輸入與隸屬函數(shù)的交點(diǎn)，而且測(cè)算出輸入與選定的隸屬函數(shù)的中心點(diǎn)的距離，其原理如圖1所示。不考慮隸屬函數(shù)的區(qū)間和輸入的單調(diào)，而測(cè)量輸出與中間位置的距離，距離用中心位置減去輸入，忽略符號(hào)。確值輸入Xa離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，其隸屬值越低，反之，其隸屬值越高。當(dāng)確值輸入Xa正好位于中心點(diǎn)位置時(shí)，則隸屬值最大。  

    有二種不同類型的隸屬函數(shù)，對(duì)于第一種隸屬函數(shù)，確值輸入離中心點(diǎn)愈近，隸屬值愈大，如果確值輸入落入隸屬函數(shù)的寬度范圍之外，那么隸屬值最小。對(duì)于第二隸屬函數(shù)，當(dāng)確值輸入落入隸屬函數(shù)的寬度范圍之內(nèi)時(shí)隸屬值最小。距離測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)有二：其一是使設(shè)計(jì)者在保留重要信息的同時(shí)不必決定復(fù)雜隸屬函數(shù)的形狀；其二是這種方法提供了相似判決的簡(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μ（或d）表示。

3  NLX230的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能
      NLX230型模糊控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由模糊輸入選擇器，16個(gè)模糊單元、最小和最大比較器、規(guī)則寄存器、輸出寄存器和定時(shí)控制等部分組成，完成模糊推理運(yùn)算并作出控制決策。

3.1 模糊輸入選擇器和模糊單元
      8選1多路選擇器控制N LX230中16個(gè)模糊單元的每個(gè)單元的輸入。模糊單元求取輸入量對(duì)用戶所定義的隸屬函數(shù)的隸屬度。每個(gè)模糊單元從8個(gè)外部輸入中任選1個(gè)作為輸入數(shù)據(jù)（1個(gè)模糊單元只能訪問(wèn)1個(gè)輸入數(shù)據(jù)）。把模糊單元組態(tài)構(gòu)成輸出反饋到輸入的形式，可不處理外部輸入。把一個(gè)輸入同1個(gè)隸屬函數(shù)聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成1個(gè)項(xiàng)，NLX230最多可支持16個(gè)項(xiàng)。每個(gè)模糊單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，含有1個(gè)16位的項(xiàng)寄存器，包括8位的中心值、5位的寬度值及3位的輸入選擇組態(tài)（完成對(duì)8個(gè)外部輸入中任1個(gè)輸入的選擇）。每個(gè)模糊單元計(jì)算輸入值與用戶定義的中心點(diǎn)的距離，完成輸入確值量到模糊邏輯量的轉(zhuǎn)換。這樣，每1個(gè)模糊單元與1個(gè)8位中心位置相聯(lián)，計(jì)算出距離后，其結(jié)果與用戶定義的寬度相比較，5位的寬度值代表輸入離中心位置的最遠(yuǎn)距離，如果輸入的距離小于或等于此寬度，那么輸入被認(rèn)為是隸屬函數(shù)的一部分，距離的求補(bǔ)得到隸屬函數(shù)度。求補(bǔ)就是30減去距離（30是最大寬度，）輸入離中心越近，隸屬值越高，落在寬度內(nèi)的隸屬值被傳到最小比較器來(lái)進(jìn)行規(guī)則處理。

      當(dāng)輸入等于中心值時(shí)，模糊單元輸出最大值31；當(dāng)輸入落在寬度范圍以外時(shí)，模糊輸出值為0，表示完全沒(méi)有關(guān)系。

3.2 最小值比較器和最大值比較器
      NLX230的最小值比較器是由高流通量的神經(jīng)元網(wǎng)路執(zhí)行的，以適合高速的數(shù)據(jù)量。64條規(guī)則分別存儲(chǔ)在64個(gè)規(guī)則寄存器中，每個(gè)規(guī)則寄存器字有24位，其前16位分別用來(lái)完成每個(gè)模糊單元的輸出對(duì)最小比較器的使能。每個(gè)規(guī)則位固定對(duì)應(yīng)1個(gè)模糊單元。當(dāng)1個(gè)規(guī)則位被置1，則此規(guī)則包含該項(xiàng)，相應(yīng)的模糊單元輸出可與其他置1的規(guī)則位相比較以找出最小項(xiàng)。

      某個(gè)規(guī)則的最小項(xiàng)一旦被找到，就儲(chǔ)存在NLX230最大值比較器的暫存寄存器中，對(duì)應(yīng)被處理的每一規(guī)則經(jīng)處理所得最小項(xiàng)與暫存于最大值寄存器中的值進(jìn)行比較，去小存大；當(dāng)處理完所有規(guī)則，最大值寄存器中的結(jié)果是所有最小項(xiàng)中的最大值，該值對(duì)應(yīng)的規(guī)則為取勝規(guī)則，代表1個(gè)"模糊"邏輯各結(jié)果的和。取勝規(guī)則的當(dāng)前值（動(dòng)作值）送到模糊量與確值量的轉(zhuǎn)換單元（輸出寄存器），經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)行模糊控制。

      當(dāng)前值定義在每個(gè)規(guī)則寄存器字的8個(gè)保留位，代表輸出動(dòng)作值所需的修正量，動(dòng)作修正值是1個(gè)8位二進(jìn)制補(bǔ)碼值為－128～127。從規(guī)則寄存器字來(lái)的8位動(dòng)作修正值與用戶定義的初值相加。例如，初始值為100，動(dòng)作修正值為－5，則輸出為95。

3.3 規(guī)則寄存器和輸出寄存器
      規(guī)則寄存器用于存放控制規(guī)則，NLX230最多可存放64條規(guī)則。輸出寄存器為總線使能方式，只要處理了所有的規(guī)則，規(guī)則寄存器的8位補(bǔ)碼修正值與初始值之和，飽和算數(shù)運(yùn)算使輸出位取模128（當(dāng)前值使輸出高于或低于界限－128和127），輸出即由模糊量轉(zhuǎn)換為確值量，模糊控制器在輸入下一組數(shù)據(jù)的同時(shí)輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.4 NLX230的引腳功能
      NLX230采用40引腳雙列直插式封裝，如圖4所示。RST是系統(tǒng)復(fù)位腳，低電平有效。DI0－DI7是8位數(shù)據(jù)輸入口。VSS是地。SK是串行時(shí)鐘腳，用于將組態(tài)數(shù)據(jù)打入FMC（M/S＝0時(shí)，該腳輸出）。