دانلود پایان نامه های دانشگاه ها

دانشگاه ارومیه

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

دانشکده فنی

گروه برق

طراحی کنترل کننده فازی دیجیتال با مدار فازی ساز جدید با استفاده از CMOS

برای رعایت حریم خصوصی اسامی استاد راهنما،استاد مشاور و نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

در این پایان نامه هدف طراحی کنترلر فازی با ورودی دیجیتال و خروجی آنالوگ ولتاژی است. این کنترلر فازی دو ورودی دیجیتال داشته و یک خروجی آنالوگ دارد که با برنامه ریزی چهار پارامتر مشخصات تابع عضویت پروگرم می شود. این کنترلر دارای ساختاری جدیدی است که با این ساختار بسیاری از مشکلات موجود در ساختار های دیگر حل شده است. این کنترلر از یک مدار MIN-MAX ولتاژی بسیار قابل انعطاف بهره می برد که با یک ساختار هم مینیمم و هم ماکزیمم سیگنال ها را در اختیار قرار می دهد. در ادامه برای بلوک defuzzifier هم ساختار بسیار ساده و مناسبی در مد ولتاژ طراحی شده است که نیاز به مدارات پیچیده خازنی را مرتفع نموده است. این کنترلر در 9 رول پیاده سازی شد و نتایج شبیه سازی توان مصرفی 36/43mW را نشان داد و به سرعت 9/4MFLIPS رسیدیم.

شبیه سازی های انجام شده در نرم افزار HSPICE انجام گرفته است و Layout مدارات هم در نرم افزار Cadenc در پروسه CMOS 0/35μm کشیده شده است. در فصل سوم کل معماری کنترلر آمده است که در این فصل شبیه سازی های انجام گرفته با نرم افزار MATLAB نیز آمده است.

فصل اول

مقدمه

کنترلر های فازی با استفاده از منطق فازی وظیفه کنترل کردن سیستم های گوناگونی را دارند. این کنترلر ها ابتدا اطلاعات crisp ورودی را به اطلاعات فازی تبدیل می کنند و با پردازش و ترکیب این اطلاعات سیگنال کنترلی ایجاد می شود و تصمیم گیری انجام می گیرد و در نهایت این سیگنال تبدیل به crisp شده و به عنوان خروجی به سیستم های تحت کنترل داده می شود.

مطابق آنچه در بالا گفته شد نیاز به دو mapping وجود دارد: تبدیل اطلاعات از محیط crisp به محیط فازی و دیگری تبدیل اطلاعات و سیگنال های فازی به crisp در خروجی. یک سیستم فازی این فرایند را توسط تئوری فازی انجام می دهد که در سال 1965 توسط پروفسور لطفی زاده تعریف شد و ساختار ریاضی آن به صورت کامل پیاده سازی شد. این mapping ها به صورت غیر خطی هستند و اطلاعات crisp را به فازی تبدیل می کنند.

امروزه منطق فازی در طراحی سیستم ها بسیار استفاده می شود، انعطاف پذیری بالا و نزدیکی این منطق به فکر انسان باعث شده که سیستم ها را بسیار راحت و خوب کنترل کرد.منطق فازی بر روی سیستم های کنترلی الکترونیکی بسیار زیادی پیاده سازی شده و باعث ایجاد یک روش طراحی جدید در این سیستم ها گشته است.

طراحی و ساخت کنترلرهای general purpose برای کنترل سیستم های الکترونیکی بسیار مناسب و کم هزینه هستند که با روش های گوناگون و با نقاط ضعف و قوت متنوع طراحی می شوند. این کنترلر ها متناسب با سیستم تحت کنترل برنامه ریزی می شود و با توجه به این قابلیت برنامه ریزی برای هر سیستم ، بسیار مطلوب و مناسب می باشند.

کنترلر های فازی در دو نوع دیجیتال و آنالوگ طراحی می شوند که مفهوم دیجیتال و یا آنالوگ بودن هم در رابطه با ارتباط با دنیای خارجی و Interface آن کنترلر است و هم درالگوریتم و ساختار داخلی آن سیستم فازی مفهوم دارد. کنترلرهای فازی دیجیتال توانایی اتصال به ادوات و سنسور های دیجیتال را دارند و توانایی پردازش سیگنال های دیجیتال از نقاط قوت آنها محسوب می گردد و در مقابل کنترلر های فازی آنالوگ توانایی پردازش سیگنال های آنالوگ را دارند و در ورودی ولتاژها و یا جریانات آنالوگ را که از ادوات الکترونیکی و سنسورها می آیند را دریافت می کنند. در هر دو نوع ساختار طراحی های زیادی انجام گرفته است نمونه های آنالوگ کار هایی مثل [10] – [14] است و از مدارات و سیستم های طراحی شده بر پایه VLSI می توان به [3] – [7] اشاره نمود. ساختارهای آقایان Watanabe و Togai و Sanchez از مطرح ترین این شاخه از کنترلر های فازی هستند.

بعد از ارائه طرح های بر پایه مدارات VLSI که از گیت های منطقی استفاده می کردند و عموماً برای ساخت آنها از FPGA ها استفاده می کردند مداراتی مطرح شدند که ساختار داخلی آنها mixed analog-digital نام گرفت که دارای interface دیجیتال بودند اما از مدارات آنالوگ هم در داخل ساختار استفاده می کردند. یکی از قوی ترین کار های انجام شده تز آقای امینی فر از دانشگاه ارومیه بوده است که در سال 2002 ارائه شده است.

کنترلر آقای امینی فر بر پایه مدارات current mode طراحی گردیده است که به توان 49mW در سرعت 8/85MFLIPS رسیده است از معایب این مدار کم بودن دقت ساختار فازی ساز آن است که به علت spike های جریانی است که در step های فازی ساز وجود دارد و شکل تمیز و تیزی از لحاظ مشخصه خروجی فازی ساز وجود ندارد. ولی حجم مدار و سطح مصرفی چیپ بسیار مناسب و کوچک می باشد که در مقایسه با دیگر کارها بسیار ایده آل می باشد حجم مدارات آقای امینی فر 0/11mm2 است. کارهای دیگر مد جریانی مراجع شماره [10] و [13] و [15] از نمونه های بارز هستند.

در مقابل ما سعی بر بهبود مدارارت و اضافه کردن option هایی در Inference engine بوده است که با توجه به مطالعات انجام شده تصمیم بر طراحی مدارات در مد ولتاژ گرفتیم. با طراحی مدارات در مد ولتاژ حجم مدارات افزایش پیدا کرد ولی از لحاظ دقت بسیار بهبود و سرعت نیز افزایش پیدا کرد در ساختار پیشنهادی ما سیگنال های ورودی دیجیتال ولتاژ مد هستند و پروگرم کردن فازی ساز نیز به صورت دیجیتال انجام می شود و در قسمت Inference engine توانایی گرفتن ماکزیمم و مینیمم و هر دو همزمان را اضافه نمودیم که با دقت 1% این کار انجام می گیرد. یکی از مشکلات موجود در مدارات ولتاژ مد طراحی قسمت Defuzzifier است که برای طراحی قسمت تقسیم کننده مدارات switch capacitor نیاز است که بر همگان پیچیدگی این ساختار ها مشخص است. با توجه به این مسئله سعی بر طراحی مدارات با پیچیدگی کمتر و ساده تر داشتیم که جزئیات بیشتر در فصل آینده مطرح می گردد.

هدف ما در این پایان نامه طراحی یک چیپ کنترلر فازی general purpose دیجیتال است. در این کنترلر فازی یک ساختار جدید و بسیار مناسب تر از نمونه های دیگر برای سیستم فازی کننده آن پیشنهاد شده است که با روش mixed mode این بلوک را پیاده سازی کرده ایم. مدارات fuzzifier در مد ولتاژ طراحی شده است که با این طراحی دقت مدار بسیار بهبود یافته است و spike های موجود در مدارات مد جریان در این ساختار به کلی حذف گشته و با سرعت بیشتر به دقت 98/2% رسیده ایم. در قسمت بعدی یعنی بلوک Inference engine نیز مدارات جدید با قابلیت های بهتری ارائه شده است، مدارات ماکزیمم و مینیمم گیر در مد ولتاژ طراحی شده است که این ساختار نیز دارای دقت مناسب و سرعت خوبی است و در نهایت در قسمت defuzzifier نیز سعی بر ساده کردن مدارات و پرهیز از مدارات پیچیده بوده است. ساختار (center of area (COA برای defuzzifier در نظر گرفته شده است.

مدارات طراحی شده در این کنترلر فازی در پروسه 0/35μm تکنولوژی CMOS پیاده سازی شده است. این کنترلر دو ورودی دیجیتال 4 بیتی، 9 rule و یک خروجی آنالوگ برای سیستم های کنترلی دارد. کنترلر فازی به صورت کامل توسط نرم افزار HSPICE شبیه سازی شده است و Layout آن در نرم افزار Cadence کشیده شده و extract شده است.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.