适老产品智能化控制系统的设计与实现

刘鑫

摘  要： 针对目前的适老产品智能化控制系统的兼容性不好的问题，设计一种基于FPGA技术和实时通信协议的适老产品智能化控制系统。该系统包括传感器模块、信号调理模块、适老产品的数据采集模块、人机交互模块和总线传输控制模块等。采用变频率采样方法进行适老产品智能化控制的原始信息采集，提取适老产品智能化控制的相关分布参数，结合模糊总线控制方法进行适老产品的信息调度和分簇存储设计;采用FPGA进行适老产品智能化控制系统的硬件开发，结合实时总线传输控制协议进行人机交互设计和智能信息传输调度，通过信号调理实现适老产品智能化控制的优化信息处理。测试结果表明，采用该系统进行适老产品智能化控制的智能性较好，人机交互性较强。

关键词： 适老产品; 智能化控制系统; 传感器; 信息调理; 总线调度; FPGA

中图分类号： TN876?34; TP271                 文献标识码： A                    文章编号： 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

随着适老产品规模的不断增大，对适老产品的智能化管理和调度成为人们研究的重点课题。通过对适老产品的智能化控制，提高对适老产品的信息化管理能力，对适老产品的智能化控制是建立在对适老产品的信息采集和实时监控基础上，结合对适老产品的模糊控制和智能化调度，提高适老产品的信息管理和实时健康能力，从而保障适老产品的集成优化管理。适老产品智能化控制设计是建立在适老产品的信息检测和特征分析基础上的，结合远程控制和无线通信技术，提高适老产品智能化控制的智能性和自动控制能力[1]。本文充分考虑适老产品的应用特征，进行适老产品的优化控制系统设计，系统设计包括传感器模块、信号调理模块、适老产品的数据采集模块、人机交互模块和总线传输控制模块等。首先进行系统的总体设计构架分析，然后进行系统的功能模块化设计，结合FPGA，在集成的Visual DSP++环境下实现适老产品智能化控制系统的硬件开发设计，最后进行系统测试，得出有效性结论。

1  系统总体设计构架

1.1  系统的关键技术及实现方法

对适老产品智能化控制系统设计是建立在嵌入式的VIX总线技术上，结合FPGA可编程逻辑控制芯片进行控制系统的硬件开发设计。设计的基础是进行信息采集，通过ARM协议把分布在各个位置的传感器和控制设备的信息采集起来，结合适老产品智能化控制信息处理技术进行集成信息调度和智能化检测设计，基于嵌入式S3C2440A进行适老产品智能化控制系统的总线集成开发和自适应调度。采用嵌入式的设计方法，构建适老产品智能化控制的总线控制模块和集成信息调度模块;采用自相关匹配检测方法进行适老产品智能化控制过程的指令调度和信息传输控制。系统设计包括传感器模块、信号调理模块、适老产品的数据采集模块、人机交互模块和总线传输控制模块等[2]。采用变频率采样方法进行适老产品智能化控制的原始信息采集，系统的硬件结构主要由4个模块组成，分别为传感器模块、信号采集模块、信号调理模块和总线控制模块等。采用交叉编译和指令控制技术进行适老产品智能化控制系统的集成调度和模糊控制，结合自适应的执行收发控制协议，进行适老产品智能化控制系统的优化控制。开发适老产品智能化控制系统的硬件模块和交叉编译模块，根据适老产品智能化控制系统的控制字设备状态，进行智能化控制系统的串口设计。根据上述分析，得到适老产品的智能化控制系统的总体设计实现构架如图1所示。

图1  系统的总体设计结构图

1.2  功能结构分析和开发环境描述

根据图1所示的总体设计构架分析，构建适老产品智能化控制系统的开发平台，将采样的适老产品智能化控制信息通过特征信息重组进行信号特征采样，对控制指令信息进行自适应检波处理，采用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线进行适老产品智能化控制的总线传输设计，采用嵌入式的DSP芯片作为适老产品智能化控制系统的主控芯片，进行适老产品智能化控制的主控模块设计。在上位机通信模块中将适老产品智能化控制系统的动态测试数据发送到两套SCSI总线接口控制器上[3]，在适老产品智能化控制的ADI中设计HPPCI仿真器。系统功能模块组成如图2所示。

图2  适老产品自动控制系统的功能模块组成

根据上述分析，本文设计的适老产品智能化控制的开发平台建立在FPGA平台基础上，结合智能逻辑控制方法进行适老产品智能化控制系统的VIX总线控制。采用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线进行适老产品智能化控制的指令加载。在嵌入式环境下进行适老产品智能化控制系统的程序加载和交叉编译控制，通过JTAG调试接口进行适老产品智能化控制系统的实时性程序读/写和A/D转换控制，采用电压冲激响应控制方法进行控制指令的动态脉冲测试，进行适老产品智能化控制系统的逻辑判断和模糊识别。在执行机构中进行适老产品智能化控制的控制指令输入性测试，建立适老产品智能化控制的信息采集模块，采用传感信息跟踪方法进行适老产品智能化控制和模式识别[4]。

2  系统的硬件和软件开发设计与实现

在上述进行适老产品智能化控制系统的总体设计的基础上，进行系统的硬件模块化开发设计。本文设计的适老产品智能化控制系统的硬件模块主要有传感器模块、信号调理模块、适老产品的数据采集模块、人机交互模块和总线传输控制模块。

2.1  传感器模块

传感器模块实现对适老产品智能化控制系统的信息采集功能。采用嵌入式的可互换式虚拟仪器（Interchangeable Virtual Instruments，IVI）作为适老产品智能化控制系统的主控芯片，使用完整的32位VME總线架构寄存器基器件（Register?Based Device）实现适老产品智能化控制无线通信控制的网络输出控制，以高速ADSP?BF537作为核心处理器进行适老产品智能化控制的信息采集。系统传感器模块采用上位机传输控制协议，设计适老产品智能化控制模块，通过A/D转换电路进行人机交互控制，从外部串行E2PROM中引导的方式实现适老产品智能化控制的SCSI总线传输控制，得到适老产品智能化控制的传感器模块设计如图3所示。

图3  适老产品智能化控制的传感器模块设计

2.2  信号调理模块

信号调理模块实现对适老产品智能化控制的信号采样和输出转换控制功能。在此采用低功耗的S3C2440作为逻辑处理器进行控制系统的信号调理和输出总线控制。适老产品智能化控制无线通信控制管理系统的ARM组网由上、下机位机两部分构成，使用Unix类操作系统进行接口编译。在集成DSP信息处理环境下进行适老产品智能化控制系统的信号输出转发控制。采用分组交换技术构建适老产品智能化控制系统的通信控制协议，定义CS?1，CS?2，CS?3和CS?4四种信号调理和通信传输方案。采用高速信号采集方法进行信号调理设计[5]，构建上位机进行信号调理过程中的能耗控制。设计的适老产品智能化控制的时钟频率为1 200 MHz或1 800 MHz，支持电磁兼容性放大和集成控制功能。信号调理模块的结构示意图如图4所示。

图4  信号调理模块的结构示意图

2.3  数据采集模块

结合适老产品智能化控制系统的总体设计构架，进行功能组件分析。系统的基础模块是数据采集模块，采用ARM嵌入式设计方法进行系统总线数据传输设计。适老产品智能化控制的基本总线数据传输速率为40 Mb/s。采用集成3 路高速脉冲输出模拟方法进行适老产品智能化控制调度，结合FPGA编程软件强大的程序编译功能[6]，构建适老产品智能化控制系统的可编程控制器，在S7?200 SMART CPU 模块中实现复杂指令输出的多种终端连接。采用自适应链路转发协议构建多通道联合适老产品智能化控制指令系统的路由传输协议[7]，在嵌入式环境下进行适老产品智能化控制系统优化，得到控制系统的数据采集模块实现框图如图5所示。

图5  数据采集模块实现框图

2.4  人机交互模块

在人机交互模块设计中，采用总线设计技术，设计独立的运营模块进行适老产品智能化控制和集成管理，设计进程管理模块，控制系统的功能模块为传感器信息采集模块。基于C51单片机进行适老产品智能化控制系统设计的并行计算处理，对智能化控制指令的控制精度为12 mV/b。以Linux作为微机嵌入式内核，构建适老产品智能化控制系统的人机交互开发平台[8]，在S3C2410 内部集成LCD控制器进行适老产品智能化控制加载。采用开放源码的Linux操作系统进行控制系统的人交互模块的硬件设计，以ARM嵌入式处理器作为主控器，进行多通道联合控制指令加载，实现人机交互模块设计，得到人机交互模块的实现流程如图6所示。

图6  人机交互模块的实现流程

2.5  总线传输控制模块

设计适老产品智能化控制加载程序进行D/A转换器设计，实现适老产品智能化控制指令信号的自适应均衡控制。在D/A转换器输出端设计存储器实现总线控制模块控制，适老产品智能化控制指令信号的调制系数（[c20～c0]）为1100101001001，人机交互的接口指令分别设定为PME#，RST#，GNT#。在DAQ?STC中引入中央控制模块进行适老产品智能化控制系统的自适应信号处理，通过上位机读取S7?200 SMART 的数据，实现适老产品智能化控制中的总线数据传输和上位机通信[9?10]，得到总线传输控制模块如图7所示。

图7  总线传输控制模块

3  实验测试分析

定义Blackfin的存储器映射，在Visual DSP++集成开发环境中进行适老产品智能化控制的指令加载，并在输出的SPI接口与主机进行联合控制，使用32位定时器/计数器进行适老产品智能化控制总的程序读/写。适老产品控制的资源调度输入如图8所示。

4  结  语

本文充分考虑适老产品的应用特征，進行适老产品的优化控制系统设计，结合模糊总线控制方法进行适老产品的信息调度和分簇存储设计，采用FPGA进行适老产品智能化控制系统的硬件开发，结合实时总线传输控制协议进行人机交互设计和智能信息传输调度。经研究得知，本文设计的适老产品智能化控制系统的人工智能性较好，收敛性较强。

图9  控制收敛性测试

参考文献

[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] 尹亚晶.基于数据挖掘的体育评价决策支持系统开发与研究[J].现代电子技术，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，苏益德.基于小波变换的提高激光引信测距精度研究[J].激光与红外，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] 徐建龙.非理想测量状态对飞机残余形变测量中全站仪的影响[J].电子设计工程，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页）

[7] 高正中，谭冲，赵联成，等.基于TDC?GP22高精度低功耗超声波热量表的设计[J].电子技术应用，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] 陈刚，关楠，吕鸣松，等.实时多核嵌入式系统研究综述[J].软件学报，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] 杨祯，李达，张丽，等.基于LoRa的农业大棚无线温湿度监测系统设计与实现[J].电子测量技术，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] 杨飞，谢涛，伍英，等.基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计[J].计算机测量与控制，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.