適老產品智能化控制系統的設計與實現

劉鑫

摘 ?要： 針對目前的適老產品智能化控制系統的兼容性不好的問題，設計一種基于FPGA技術和實時通信協議的適老產品智能化控制系統。該系統包括傳感器模塊、信號調理模塊、適老產品的數據采集模塊、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品智能化控制的原始信息采集，提取適老產品智能化控制的相關分布參數，結合模糊總線控制方法進行適老產品的信息調度和分簇存儲設計;采用FPGA進行適老產品智能化控制系統的硬件開發，結合實時總線傳輸控制協議進行人機交互設計和智能信息傳輸調度，通過信號調理實現適老產品智能化控制的優化信息處理。測試結果表明，采用該系統進行適老產品智能化控制的智能性較好，人機交互性較強。

關鍵詞： 適老產品; 智能化控制系統; 傳感器; 信息調理; 總線調度; 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

隨著適老產品規模的不斷增大，對適老產品的智能化管理和調度成為人們研究的重點課題。通過對適老產品的智能化控制，提高對適老產品的信息化管理能力，對適老產品的智能化控制是建立在對適老產品的信息采集和實時監控基礎上，結合對適老產品的模糊控制和智能化調度，提高適老產品的信息管理和實時健康能力，從而保障適老產品的集成優化管理。適老產品智能化控制設計是建立在適老產品的信息檢測和特征分析基礎上的，結合遠程控制和無線通信技術，提高適老產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品的應用特征，進行適老產品的優化控制系統設計，系統設計包括傳感器模塊、信號調理模塊、適老產品的數據采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊等。首先進行系統的總體設計構架分析，然后進行系統的功能模塊化設計，結合FPGA，在集成的Visual DSP++環境下實現適老產品智能化控制系統的硬件開發設計，最后進行系統測試，得出有效性結論。

1 ?系統總體設計構架

1.1 ?系統的關鍵技術及實現方法

對適老產品智能化控制系統設計是建立在嵌入式的VIX總線技術上，結合FPGA可編程邏輯控制芯片進行控制系統的硬件開發設計。設計的基礎是進行信息采集，通過ARM協議把分布在各個位置的傳感器和控制設備的信息采集起來，結合適老產品智能化控制信息處理技術進行集成信息調度和智能化檢測設計，基于嵌入式S3C2440A進行適老產品智能化控制系統的總線集成開發和自適應調度。采用嵌入式的設計方法，構建適老產品智能化控制的總線控制模塊和集成信息調度模塊;采用自相關匹配檢測方法進行適老產品智能化控制過程的指令調度和信息傳輸控制。系統設計包括傳感器模塊、信號調理模塊、適老產品的數據采集模塊、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品智能化控制的原始信息采集，系統的硬件結構主要由4個模塊組成，分別為傳感器模塊、信號采集模塊、信號調理模塊和總線控制模塊等。采用交叉編譯和指令控制技術進行適老產品智能化控制系統的集成調度和模糊控制，結合自適應的執行收發控制協議，進行適老產品智能化控制系統的優化控制。開發適老產品智能化控制系統的硬件模塊和交叉編譯模塊，根據適老產品智能化控制系統的控制字設備狀態，進行智能化控制系統的串口設計。根據上述分析，得到適老產品的智能化控制系統的總體設計實現構架如圖1所示。

圖1 ?系統的總體設計結構圖

1.2 ?功能結構分析和開發環境描述

根據圖1所示的總體設計構架分析，構建適老產品智能化控制系統的開發平臺，將采樣的適老產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檢波處理，采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行適老產品智能化控制的總線傳輸設計，采用嵌入式的DSP芯片作為適老產品智能化控制系統的主控芯片，進行適老產品智能化控制的主控模塊設計。在上位機通信模塊中將適老產品智能化控制系統的動態測試數據發送到兩套SCSI總線接口控制器上[3]，在適老產品智能化控制的ADI中設計HPPCI仿真器。系統功能模塊組成如圖2所示。

圖2 ?適老產品自動控制系統的功能模塊組成

根據上述分析，本文設計的適老產品智能化控制的開發平臺建立在FPGA平臺基礎上，結合智能邏輯控制方法進行適老產品智能化控制系統的VIX總線控制。采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行適老產品智能化控制的指令加載。在嵌入式環境下進行適老產品智能化控制系統的程序加載和交叉編譯控制，通過JTAG調試接口進行適老產品智能化控制系統的實時性程序讀/寫和A/D轉換控制，采用電壓沖激響應控制方法進行控制指令的動態脈沖測試，進行適老產品智能化控制系統的邏輯判斷和模糊識別。在執行機構中進行適老產品智能化控制的控制指令輸入性測試，建立適老產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品智能化控制和模式識別[4]。

2 ?系統的硬件和軟件開發設計與實現

在上述進行適老產品智能化控制系統的總體設計的基礎上，進行系統的硬件模塊化開發設計。本文設計的適老產品智能化控制系統的硬件模塊主要有傳感器模塊、信號調理模塊、適老產品的數據采集模塊、人機交互模塊和總線傳輸控制模塊。

2.1 ?傳感器模塊

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

圖3 ?適老產品智能化控制的傳感器模塊設計

2.2 ?信號調理模塊

信號調理模塊實現對適老產品智能化控制的信號采樣和輸出轉換控制功能。在此采用低功耗的S3C2440作為邏輯處理器進行控制系統的信號調理和輸出總線控制。適老產品智能化控制無線通信控制管理系統的ARM組網由上、下機位機兩部分構成，使用Unix類操作系統進行接口編譯。在集成DSP信息處理環境下進行適老產品智能化控制系統的信號輸出轉發控制。采用分組交換技術構建適老產品智能化控制系統的通信控制協議，定義CS?1，CS?2，CS?3和CS?4四種信號調理和通信傳輸方案。采用高速信號采集方法進行信號調理設計[5]，構建上位機進行信號調理過程中的能耗控制。設計的適老產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。信號調理模塊的結構示意圖如圖4所示。

圖4 ?信號調理模塊的結構示意圖

2.3 ?數據采集模塊

結合適老產品智能化控制系統的總體設計構架，進行功能組件分析。系統的基礎模塊是數據采集模塊，采用ARM嵌入式設計方法進行系統總線數據傳輸設計。適老產品智能化控制的基本總線數據傳輸速率為40 Mb/s。采用集成3 路高速脈沖輸出模擬方法進行適老產品智能化控制調度，結合FPGA編程軟件強大的程序編譯功能[6]，構建適老產品智能化控制系統的可編程控制器，在S7?200 SMART CPU 模塊中實現復雜指令輸出的多種終端連接。采用自適應鏈路轉發協議構建多通道聯合適老產品智能化控制指令系統的路由傳輸協議[7]，在嵌入式環境下進行適老產品智能化控制系統優化，得到控制系統的數據采集模塊實現框圖如圖5所示。

圖5 ?數據采集模塊實現框圖

2.4 ?人機交互模塊

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

圖6 ?人機交互模塊的實現流程

2.5 ?總線傳輸控制模塊

設計適老產品智能化控制加載程序進行D/A轉換器設計，實現適老產品智能化控制指令信號的自適應均衡控制。在D/A轉換器輸出端設計存儲器實現總線控制模塊控制，適老產品智能化控制指令信號的調制系數（[c20～c0]）為1100101001001，人機交互的接口指令分別設定為PME#，RST#，GNT#。在DAQ?STC中引入中央控制模塊進行適老產品智能化控制系統的自適應信號處理，通過上位機讀取S7?200 SMART 的數據，實現適老產品智能化控制中的總線數據傳輸和上位機通信[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++集成開發環境中進行適老產品智能化控制的指令加載，并在輸出的SPI接口與主機進行聯合控制，使用32位定時器/計數器進行適老產品智能化控制總的程序讀/寫。適老產品控制的資源調度輸入如圖8所示。

4 ?結 ?語

本文充分考慮適老產品的應用特征，進行適老產品的優化控制系統設計，結合模糊總線控制方法進行適老產品的信息調度和分簇存儲設計，采用FPGA進行適老產品智能化控制系統的硬件開發，結合實時總線傳輸控制協議進行人機交互設計和智能信息傳輸調度。經研究得知，本文設計的適老產品智能化控制系統的人工智能性較好，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.基于數據挖掘的體育評價決策支持系統開發與研究[J].現代電子技術，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.非理想測量狀態對飛機殘余形變測量中全站儀的影響[J].電子設計工程，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，趙聯成，等.基于TDC?GP22高精度低功耗超聲波熱量表的設計[J].電子技術應用，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，關楠，呂鳴松，等.實時多核嵌入式系統研究綜述[J].軟件學報，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的農業大棚無線溫濕度監測系統設計與實現[J].電子測量技術，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的農業物聯網溫室大棚環境監測系統的設計[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.