劉鑫

摘 ?要： 針對目前的適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的兼容性不好的問題，設(shè)計一種基于FPGA技術(shù)和實時通信協(xié)議的適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、適老產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊等。采用變頻率采樣方法進行適老產(chǎn)品智能化控制的原始信息采集，提取適老產(chǎn)品智能化控制的相關(guān)分布參數(shù)，結(jié)合模糊總線控制方法進行適老產(chǎn)品的信息調(diào)度和分簇存儲設(shè)計;采用FPGA進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)，結(jié)合實時總線傳輸控制協(xié)議進行人機交互設(shè)計和智能信息傳輸調(diào)度，通過信號調(diào)理實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制的優(yōu)化信息處理。測試結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進行適老產(chǎn)品智能化控制的智能性較好，人機交互性較強。

關(guān)鍵詞： 適老產(chǎn)品; 智能化控制系統(tǒng); 傳感器; 信息調(diào)理; 總線調(diào)度; FPGA

中圖分類號： TN876?34; TP271 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0168?04

Abstract： In allusion to the poor compatibility of the current intelligent control system for products suitable for old people， an intelligent control system based on the FPGA technology and real?time communication protocol is designed for products suitable for old people. The system includes the sensor module， signal conditioning module， data acquisition module of products suitable for old people， man?machine interaction module and bus transmission control module. The frequency variation sampling method is adopted to collect the original information for intelligent control of products suitable for old people. The relevant distribution parameters for intelligent control of products suitable for old people are extracted. The information scheduling and clustering storage design of products suitable for old people are conducted in combination with the fuzzy bus control method. The hardware of the intelligent control system for products suitable for old people is developed by using the FPGA. The man?machine interaction design and intelligent information transmission scheduling are carried out in combination with the real?time bus transmission control protocol. The optimized information processing for intelligent control of products suitable for old people is realized by means of signal conditioning. The test results show that the intelligent control system for products suitable for old people has good intelligence and strong man?machine interactivity.

Keywords： product suitable for old people; intelligent control system; sensor; information conditioning; bus scheduling; FPGA

0 ?引 ?言

隨著適老產(chǎn)品規(guī)模的不斷增大，對適老產(chǎn)品的智能化管理和調(diào)度成為人們研究的重點課題。通過對適老產(chǎn)品的智能化控制，提高對適老產(chǎn)品的信息化管理能力，對適老產(chǎn)品的智能化控制是建立在對適老產(chǎn)品的信息采集和實時監(jiān)控基礎(chǔ)上，結(jié)合對適老產(chǎn)品的模糊控制和智能化調(diào)度，提高適老產(chǎn)品的信息管理和實時健康能力，從而保障適老產(chǎn)品的集成優(yōu)化管理。適老產(chǎn)品智能化控制設(shè)計是建立在適老產(chǎn)品的信息檢測和特征分析基礎(chǔ)上的，結(jié)合遠程控制和無線通信技術(shù)，提高適老產(chǎn)品智能化控制的智能性和自動控制能力[1]。本文充分考慮適老產(chǎn)品的應(yīng)用特征，進行適老產(chǎn)品的優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、適老產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊等。首先進行系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析，然后進行系統(tǒng)的功能模塊化設(shè)計，結(jié)合FPGA，在集成的Visual DSP++環(huán)境下實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)設(shè)計，最后進行系統(tǒng)測試，得出有效性結(jié)論。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)架

1.1 ?系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

對適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)設(shè)計是建立在嵌入式的VIX總線技術(shù)上，結(jié)合FPGA可編程邏輯控制芯片進行控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)設(shè)計。設(shè)計的基礎(chǔ)是進行信息采集，通過ARM協(xié)議把分布在各個位置的傳感器和控制設(shè)備的信息采集起來，結(jié)合適老產(chǎn)品智能化控制信息處理技術(shù)進行集成信息調(diào)度和智能化檢測設(shè)計，基于嵌入式S3C2440A進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的總線集成開發(fā)和自適應(yīng)調(diào)度。采用嵌入式的設(shè)計方法，構(gòu)建適老產(chǎn)品智能化控制的總線控制模塊和集成信息調(diào)度模塊;采用自相關(guān)匹配檢測方法進行適老產(chǎn)品智能化控制過程的指令調(diào)度和信息傳輸控制。系統(tǒng)設(shè)計包括傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、適老產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊等[2]。采用變頻率采樣方法進行適老產(chǎn)品智能化控制的原始信息采集，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由4個模塊組成，分別為傳感器模塊、信號采集模塊、信號調(diào)理模塊和總線控制模塊等。采用交叉編譯和指令控制技術(shù)進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的集成調(diào)度和模糊控制，結(jié)合自適應(yīng)的執(zhí)行收發(fā)控制協(xié)議，進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制。開發(fā)適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的硬件模塊和交叉編譯模塊，根據(jù)適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的控制字設(shè)備狀態(tài)，進行智能化控制系統(tǒng)的串口設(shè)計。根據(jù)上述分析，得到適老產(chǎn)品的智能化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計實現(xiàn)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

1.2 ?功能結(jié)構(gòu)分析和開發(fā)環(huán)境描述

根據(jù)圖1所示的總體設(shè)計構(gòu)架分析，構(gòu)建適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)平臺，將采樣的適老產(chǎn)品智能化控制信息通過特征信息重組進行信號特征采樣，對控制指令信息進行自適應(yīng)檢波處理，采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行適老產(chǎn)品智能化控制的總線傳輸設(shè)計，采用嵌入式的DSP芯片作為適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的主控芯片，進行適老產(chǎn)品智能化控制的主控模塊設(shè)計。在上位機通信模塊中將適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的動態(tài)測試數(shù)據(jù)發(fā)送到兩套SCSI總線接口控制器上[3]，在適老產(chǎn)品智能化控制的ADI中設(shè)計HPPCI仿真器。系統(tǒng)功能模塊組成如圖2所示。

圖2 ?適老產(chǎn)品自動控制系統(tǒng)的功能模塊組成

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計的適老產(chǎn)品智能化控制的開發(fā)平臺建立在FPGA平臺基礎(chǔ)上，結(jié)合智能邏輯控制方法進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的VIX總線控制。采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行適老產(chǎn)品智能化控制的指令加載。在嵌入式環(huán)境下進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的程序加載和交叉編譯控制，通過JTAG調(diào)試接口進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的實時性程序讀/寫和A/D轉(zhuǎn)換控制，采用電壓沖激響應(yīng)控制方法進行控制指令的動態(tài)脈沖測試，進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的邏輯判斷和模糊識別。在執(zhí)行機構(gòu)中進行適老產(chǎn)品智能化控制的控制指令輸入性測試，建立適老產(chǎn)品智能化控制的信息采集模塊，采用傳感信息跟蹤方法進行適老產(chǎn)品智能化控制和模式識別[4]。

2 ?系統(tǒng)的硬件和軟件開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

在上述進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的硬件模塊化開發(fā)設(shè)計。本文設(shè)計的適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的硬件模塊主要有傳感器模塊、信號調(diào)理模塊、適老產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊。

2.1 ?傳感器模塊

傳感器模塊實現(xiàn)對適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的信息采集功能。采用嵌入式的可互換式虛擬儀器（Interchangeable Virtual Instruments，IVI）作為適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的主控芯片，使用完整的32位VME總線架構(gòu)寄存器基器件（Register?Based Device）實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制無線通信控制的網(wǎng)絡(luò)輸出控制，以高速ADSP?BF537作為核心處理器進行適老產(chǎn)品智能化控制的信息采集。系統(tǒng)傳感器模塊采用上位機傳輸控制協(xié)議，設(shè)計適老產(chǎn)品智能化控制模塊，通過A/D轉(zhuǎn)換電路進行人機交互控制，從外部串行E2PROM中引導(dǎo)的方式實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制的SCSI總線傳輸控制，得到適老產(chǎn)品智能化控制的傳感器模塊設(shè)計如圖3所示。

圖3 ?適老產(chǎn)品智能化控制的傳感器模塊設(shè)計

2.2 ?信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊實現(xiàn)對適老產(chǎn)品智能化控制的信號采樣和輸出轉(zhuǎn)換控制功能。在此采用低功耗的S3C2440作為邏輯處理器進行控制系統(tǒng)的信號調(diào)理和輸出總線控制。適老產(chǎn)品智能化控制無線通信控制管理系統(tǒng)的ARM組網(wǎng)由上、下機位機兩部分構(gòu)成，使用Unix類操作系統(tǒng)進行接口編譯。在集成DSP信息處理環(huán)境下進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的信號輸出轉(zhuǎn)發(fā)控制。采用分組交換技術(shù)構(gòu)建適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的通信控制協(xié)議，定義CS?1，CS?2，CS?3和CS?4四種信號調(diào)理和通信傳輸方案。采用高速信號采集方法進行信號調(diào)理設(shè)計[5]，構(gòu)建上位機進行信號調(diào)理過程中的能耗控制。設(shè)計的適老產(chǎn)品智能化控制的時鐘頻率為1 200 MHz或1 800 MHz，支持電磁兼容性放大和集成控制功能。信號調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 ?信號調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 ?數(shù)據(jù)采集模塊

結(jié)合適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架，進行功能組件分析。系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊是數(shù)據(jù)采集模塊，采用ARM嵌入式設(shè)計方法進行系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。適老產(chǎn)品智能化控制的基本總線數(shù)據(jù)傳輸速率為40 Mb/s。采用集成3 路高速脈沖輸出模擬方法進行適老產(chǎn)品智能化控制調(diào)度，結(jié)合FPGA編程軟件強大的程序編譯功能[6]，構(gòu)建適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的可編程控制器，在S7?200 SMART CPU 模塊中實現(xiàn)復(fù)雜指令輸出的多種終端連接。采用自適應(yīng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議構(gòu)建多通道聯(lián)合適老產(chǎn)品智能化控制指令系統(tǒng)的路由傳輸協(xié)議[7]，在嵌入式環(huán)境下進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)優(yōu)化，得到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5 ?數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)框圖

2.4 ?人機交互模塊

在人機交互模塊設(shè)計中，采用總線設(shè)計技術(shù)，設(shè)計獨立的運營模塊進行適老產(chǎn)品智能化控制和集成管理，設(shè)計進程管理模塊，控制系統(tǒng)的功能模塊為傳感器信息采集模塊。基于C51單片機進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)設(shè)計的并行計算處理，對智能化控制指令的控制精度為12 mV/b。以Linux作為微機嵌入式內(nèi)核，構(gòu)建適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的人機交互開發(fā)平臺[8]，在S3C2410 內(nèi)部集成LCD控制器進行適老產(chǎn)品智能化控制加載。采用開放源碼的Linux操作系統(tǒng)進行控制系統(tǒng)的人交互模塊的硬件設(shè)計，以ARM嵌入式處理器作為主控器，進行多通道聯(lián)合控制指令加載，實現(xiàn)人機交互模塊設(shè)計，得到人機交互模塊的實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 ?人機交互模塊的實現(xiàn)流程

2.5 ?總線傳輸控制模塊

設(shè)計適老產(chǎn)品智能化控制加載程序進行D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)計，實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制指令信號的自適應(yīng)均衡控制。在D/A轉(zhuǎn)換器輸出端設(shè)計存儲器實現(xiàn)總線控制模塊控制，適老產(chǎn)品智能化控制指令信號的調(diào)制系數(shù)（[c20～c0]）為1100101001001，人機交互的接口指令分別設(shè)定為PME#，RST#，GNT#。在DAQ?STC中引入中央控制模塊進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的自適應(yīng)信號處理，通過上位機讀取S7?200 SMART 的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)適老產(chǎn)品智能化控制中的總線數(shù)據(jù)傳輸和上位機通信[9?10]，得到總線傳輸控制模塊如圖7所示。

圖7 ?總線傳輸控制模塊

3 ?實驗測試分析

定義Blackfin的存儲器映射，在Visual DSP++集成開發(fā)環(huán)境中進行適老產(chǎn)品智能化控制的指令加載，并在輸出的SPI接口與主機進行聯(lián)合控制，使用32位定時器/計數(shù)器進行適老產(chǎn)品智能化控制總的程序讀/寫。適老產(chǎn)品控制的資源調(diào)度輸入如圖8所示。

4 ?結(jié) ?語

本文充分考慮適老產(chǎn)品的應(yīng)用特征，進行適老產(chǎn)品的優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合模糊總線控制方法進行適老產(chǎn)品的信息調(diào)度和分簇存儲設(shè)計，采用FPGA進行適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)，結(jié)合實時總線傳輸控制協(xié)議進行人機交互設(shè)計和智能信息傳輸調(diào)度。經(jīng)研究得知，本文設(shè)計的適老產(chǎn)品智能化控制系統(tǒng)的人工智能性較好，收斂性較強。

圖9 ?控制收斂性測試

參考文獻

[1] CHEUNG M H， SOUTHWELL R， HOU F， et al. Distributed time?sensitive task selection in mobile crowdsensing [C]// Proceedings of the 16th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing. New York： ACM， 2015： 157?166.

[2] RUI L， ZHANG P， HUANG H， et al. Reputation?based incentive mechanisms in crowdsourcing [J]. Journal of electronics & information technology， 2016， 38（7）： 1808?1815.

[3] ZHANG Y， JIANG C， SONG L， et al. Incentive mechanism for mobile crowdsourcing using an optimized tournament model [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2017， 35（4）： 880?892.

[4] 尹亞晶.基于數(shù)據(jù)挖掘的體育評價決策支持系統(tǒng)開發(fā)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（9）：108?111.

YIN Yajing. Development and research on sports evaluation and decision support system based on data mining [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（9）： 108?111.

[5] 路明，孔德浩，蘇益德.基于小波變換的提高激光引信測距精度研究[J].激光與紅外，2018，48（10）：1223?1230.

LU Ming， KONG Dehao， SU Yide. Study on improving ranging precision of laser fuze based on wavelet transform [J]. Laser & infrared， 2018， 48（10）： 1223?1230.

[6] 徐建龍.非理想測量狀態(tài)對飛機殘余形變測量中全站儀的影響[J].電子設(shè)計工程，2018，26（20）：18?22.

XU Jianlong. The influence of the non ideal measurement state on the range of the total station in the measure of airplane′s deformation [J]. Electronic design engineering， 2018， 26（20）： 18?22.

（上接第171頁）

[7] 高正中，譚沖，趙聯(lián)成，等.基于TDC?GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（7）：61?63.

GAO Zhengzhong， TAN Chong， ZHAO Liancheng， et al. The design of ultrasonic heat meter with high precision and low power consumption based on TDC?GP22 [J]. Application of electronic technique， 2015， 41（7）： 61?63.

[8] 陳剛，關(guān)楠，呂鳴松，等.實時多核嵌入式系統(tǒng)研究綜述[J].軟件學(xué)報，2018，29（7）：2152?2176.

CHEN Gang， GUAN Nan， L? Mingsong， et al. State?of?the?art survey of real?time multicore system [J]. Journal of software， 2018， 29（7）： 2152?2176.

[9] 楊禎，李達，張麗，等.基于LoRa的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2018，41（11）：73?78.

YANG Zhen， LI Da， ZHANG Li， et al. Design and implementation of wireless temperature and humidity monitoring system for agricultural greenhouse based on LoRa [J]. Electronic measurement technology， 2018， 41（11）： 73?78.

[10] 楊飛，謝濤，伍英，等.基于WIFI的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2017，25（2）：50?53.

YANG Fei， XIE Tao， WU Ying， et al. Design of monitoring system for greenhouse environment of agricultural Internet of Things based on WIFI [J]. Computer measurement & control， 2017， 25（2）： 50?53.