基于FPGA的智能微生物发酵系统

　　0　引言

　　微生物发酵及其控制系统在生物工程中十分重要。发酵过程是涉及微生物细胞生长代谢的复杂过程,是非线性的时变系统,影响因素复杂,参数相关性严重。因此,发酵生产过程的参数测量、控制成为生物工程优化管理与智能化的关键问题。现场可编程门阵列(FPGA),为发酵控制系统的数字化控制注入新的生机,尤其是近年来得到广泛重视的基于FPGA的DSP设计,使得系统的完全数字化控制成为可能。基于此背景,设计了基于FPGA内核的智能发酵控系统。针对发酵过程的时变性、大延时性、随机性等特点,系统内部采用基于FP-GA的DSP设计方法实现了模糊神经网络控制,提高了复杂系统的实时在线控制性能。

　　1　系统硬件设计

　　控制系统采用以FPGA为核心的纯硬件电路实现,分为4个部分:FPGA处理模块、输入输出模块、人机模块和其他基本功能模块,结构框图如图1所示。

　　微生物发酵过程智能控制系统的工作原理:系统启动后,在自动运行状态下,FPGA处理模块执行各传感器,并通过A/D转换器件获得各采样值,通过相应的控制算法,分别输出相应的控制量,对各执行机构进行操作。为了提高转换精度,从硬件和软件2个方面采取措施:通过数字滤波法,进一步去除干扰,提高精度;对传感器的输出信号实行非线性补偿,提高仪器的测控精度。在手动运行状态,用户通过LCD、键盘等人机界面与FPGA处理模块进行交互, FPGA处理模块根据用户命令输出控制指令,实现对各执行元件的控制操作。另外, FPGA处理模块输出的信号不足以驱动电磁阀等执行元件,设计了光耦驱动电路。同时系统经串口接口电路将实际采样值传给计算机进行进一步的处理。

　　1. 1　FPGA器件

　　现场可编程逻辑门阵列(FPGA),是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。采用VHDL、VerilogHDL语言编程描述硬件电路功能,经过软件调试和仿真,通过验证后,写入芯片电路实现硬件;修改时,可擦除后重新写入程序。可以实现各种复杂逻辑运算实现高度集成,减小电路板体积,减少易受干扰源数目,可实现ISP( In_System Program),便于修改电路,不再重新制版。采用top-down设计方法,使设计调试周期大大缩短。

　　设计中采用XtremeTMDSP器件系列的Spartan-3A DSP FP-GA.Xilinx Spartan-DSP平台提供了最具成本效益的DSP器件,以及性能超过30 GMAC/s(每秒完成300亿次乘累加操作)且存储器带宽高达2 196 Mbit/s的新型XC3SD3400A和XC3SD1800A器件。Spartan-3 DSP架构的核心就是XtremeDSPDSP48A slice,其为设计者解决了复杂的设计挑战。XtremeDSPDSP48A slice支持很多独立功能:乘法器、乘累加器(MACC)、乘法器-加法器、三输入加法器、桶形移位器、宽总线多路复用器、幅值比较器、宽计数器等。还可以连接多个DSP48 slice来实现更多数学功能、DSP滤波器和复杂算术功能,而无需使用通用FPGA架构。其他诸如LCD控制接口、键盘接口和UART通信等模块都可以由片上逻辑单元硬件实现。通过JTAG等调试接口可以方便地进行程序在线调试。