低功耗嵌入式電子信息采集系統設計

李鵬 鄧于 雷明東 譚菊 穆星星

摘 要： 針對傳統電子信息采集系統存在功耗高、采集精度低、傳輸速度慢等缺點，提出一種基于機構輸出統計特征決策的電子信息采集系統。采用統計特征分析方法提取電子信息的隨機分布時間序列，采用線性規劃方法進行電子信息機構單元的定位管控和檢測。結合高階譜特征提取方法分析電子信息特征分布狀態模型，實現電子信息的準確采集。仿真實驗結果表明，該系統能夠實現電子信息的快速采集，降低了系統的功耗，并且具有較高的采集精度。

關鍵詞： 低功耗； 嵌入式； 電子信息； 采集系統； 特征統計； 高階譜特征提取

中圖分類號： TN919?34； TH165.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）15?0101?04

Design of low?power consumption embedded electronic information acquisition system

LI Peng1， 2， DENG Yu1， LEI Mingdong1， TAN Ju1， MU Xingxing1

（1. School of Electronic and Electrical Engineering， Chongqing University of Arts and Sciences， Chongqing 402160， China；

2. College of Communication Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： The traditional electronic information acquisition system has the disadvantages of high power consumption， low acquisition accuracy and slow transmission speed. Therefore， an electronic information acquisition system based on statistical characteristics decision?making of the mechanism output is proposed. The statistical feature analysis method is used to extract the random distribution time series of electronic information. The linear programming method is adopted to perform the positioning control and detection for the mechanical unit of electronic information， and combined with the high?order spectrum feature extraction method to analyze the characteristics distribution state model of the electronic information， and realize the accurate acquisition of electronic information. The simulation results show that the system can realize the rapid acquisition of electronic information， reduce the power consumption of the system， and has high acquisition accuracy.

Keywords： low?power consumption； embedded system； electronic information； acquisition system； characteristic statistics； high?order spectrum feature extraction

電子信息采集系統結構復雜且處于不間斷運行狀態中，電子信息機構單元的信息處理速度較快，工作負荷較大，需要進行人工智能管控和實時監測來提高電子信息采集系統的可靠性，從而保證電網配電的可靠運轉，確保生產生活的有序進行[1]。因此研究電子信息采集系統以實現電子信息的快速采集、改進電子信息采集系統[2]。本文提出一種基于機構輸出統計特征決策的電子信息采集系統。實驗測試結果表明，本文設計的系統功耗低，采集精度高，穩定性好。

1 電子信息采集系統結構

為設計低功耗嵌入式電子信息采集系統，采用統計特征分析方法進行電子信息特征采集，提取電子信息采集系統機構管控的非線性統計電子信息樣本，采用觀測或者實驗分析方法進行特征統計，對多變量的電子信息進行平穩化處理和特征空間重構，采用統計方法和線性方法進行特征提取處理[3]，實現對電子信息機構的非線性幾何不變量的統計測量，提取有用特征，得到電子信息采集系統的結構如圖1所示。

采用非線性時間序列分析方法分析電子信息采集系統的機構管控特征[4]，設電子信息采集系統的機構管控工況監測的統計測量信息為[{x1，x2，…，xN}]，通過小樣本重組，結合幾何不變特征量提取，監測到的電子信息機構管控工況向量運動軌跡為： 式中：[H]表示電子信息分布區域信息統計量；[M]是電子信息機構管控的節點數；[K（m）]是第[m]個機構管控的統計電子信息采樣值；[αmk]是第[m]個采樣通道中的第[k]條路徑的耦合系數；[Tm]是信息統計采樣時間間隔。對系統傳遞函數進行優化求解，提取電子信息分布特征，進行系統整體設計。

2 電子信息特征分析

采用統計特征分析方法提取電子信息的隨機分布時間序列[5]，得到電子信息的包絡幅值和相位分布分別為：

3 電子信息采集系統設計實現

本文提出一種基于機構輸出統計特征決策的電子信息采集系統設計。采用卡爾曼濾波原理構建線性規劃模型，得到第[i]步迭代的電子信息采集系統機構管控的輸出向量[Di+1]，更新控制律向量，令[βi+1=（zTi+1zi+1）]，利用[zi+1]與[Zi]的擾動不變性，得到電子信息定位管控檢測的數均衡模型描述為：

[Bi+1=λiBi+β-1i+1xi+1wTi+1] （10）

[C-1i+1=λiC-1i+β-1i+1wi+1wTi+1] （11）

對應的電子信息特征數據加以較大的權，可得：

[Ci+1=λ-1iCi-β-1i+1λ-1iCiwi+1wTi+1λ-1iCiβ-1i+1λ-1iwTi+1Ciwi+1+1] （12）

根據線性規劃模型[6]得到定位管控采集的輸出表示為：

[Di+1=Bi+1Ci+1=BiCi-β-1i+1（BiCiwi+1）wTi+1λ-1iCiλ-1iβ-1i+1wTi+1Ciwi+1+1+β-1i+1xi+1（λ-1iwTi+1Ci）-β-1i+1xi+1β-1i+1λ-1iwTi+1Ciwi+1β-1i+1λ-1iwTi+1Ciwi+1+1wTi+1λ-1i （13）]

根據上述輸出特征信息進行電子信息機構單元的定位管控和檢測。對電子信息進行采集的基礎是進行電子信息特征提取，對電子信息特征相關性參數構建推導模型[7]。采用高階譜特征提取方法得到電子信息特征提取的遞推計算形式：

[Ci+1=λ-1iCi-β-1i+1αuuT] （14）

[Di+1=Di+β-1i+1αzi+1uT] （15）

式中，[λi]為學習機迭代步長，在遞推過程中，由初值[λ0]（接近1）逐漸增加到1，由此構建電子信息特征檢測模型，更新迭代步長為：

[λi=1-（1-λ0）（1-in）3， i≤n1， i>n] （16）

式中[n]為局部奇異特征。通過上述處理，得到電子信息的高階譜特征提取結果為：

[xt=1-cos（2πf（r）st）1+Acos（2πfst+φ）?cos2πfmt+Bsin（2πfst+φ）+θ] （17）

根據高階譜特征提取結構進行定位[8]，選擇Lyapunove函數為：

[V1=12e21] （18）

每個電子信息特征量對應Lyapunove函數的指數分布軌跡，采用線性規劃方法對Lyapunove函數求導：

[V1=e1e2-c1e21-e1λ1ζ1] （19）

通過深度學習，得到電子信息的誤差統計量為：

[e1=e2-c1e1-λ1ζ1] （20）

由此得到電子信息節點定位的坐標描述為：

[θ=arcsin-T31] （21）

[γ=arctanT32T33，T33≥0π?sin T32+arctanT32T33，T33<0] （22）

[ψ=arctanT21T11，T11≥0π?sinT21+arctanT21T11，T11<0] （23）

用一個四元素表示的坐標變換矩陣描述如下：

[T=Cnb=q20+q21-q22-q232q1q2-q0q32q1q3+q0q22q1q2+q0q3q20-q21+q22-q232q2q3-q0q12q1q3-q0q22q2q3+q0q1q20-q21-q22+q23] （24）

采用四階龍格庫塔法求上述系統目標函數的最優解[9?10]，得到電子信息特征分布狀態模型四元素的更新值：

[K1=h2ωtQtK2=h2ωt+h2Qt+K12K3=h2ωt+h2Qt+K22K4=h2ωt+hQt+K3Qt+h=Qt+h6K1+2K2+2K3+K4] （25）

綜上分析，結合高階譜特征提取方法分析系統的電子信息特征分布狀態模型，完成對電子信息采集系統的設計。

4 實驗測試分析

采用Matlab仿真工具進行電子信息采集系統的仿真測試分析，驗證本文方法在實現電子信息采集方面的優越性能。首先對電子信息樣本進行特征參數采樣，采樣的時間間隔為12 s，采集時長24 h，相空間重構嵌入維數為4，時間延遲為12 s，機構管控的加權系數為0.3，實驗任務量由100增加至900，采用不同方法進行電子信息的采集，得到能耗對比如圖2所示，其傳輸速度和精度方面的實驗結果如圖3，圖4所示。

分析圖2結果得知，采用本文方法進行電子信息采集的功耗較小。分析圖3，圖4得知，本文設計系統進行電子信息采集時，傳輸速度快，采集精度高，確保了電子信息采集系統的穩定可靠。

5 結 語

本文提出一種基于機構輸出統計特征決策的電子信息采集系統設計。采用統計特征分析方法提取電子信息采集系統的隨機分布時間序列，采用線性規劃方法進行電子信息機構單元的定位管控和檢測，結合高階譜特征提取方法分析電子信息分布狀態模型，實現電子信息采集系統設計。研究得知，該系統具有很好的應用實踐價值。

注：本文通訊作者為鄧于。

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