基于Altera_FPGA的智能識別可擴(kuò)展電子管理系統(tǒng)方案內(nèi)部

1、. 基于AlteraNios II的智能識別可擴(kuò)展電子管理系統(tǒng)旻、王龍祥、王平大學(xué) 信息學(xué)院， 650091概述前言可擴(kuò)展智能電子管理系統(tǒng)，通俗的說，稱為方便擴(kuò)展的智能電子管家以下簡稱系統(tǒng)，是建立在Altera公司可編程邏輯設(shè)計(jì)平臺上的，基于FPGA的智能化家庭電子管理系統(tǒng)。是集嵌入式技術(shù)，通信技術(shù)，傳感器技術(shù)，語音與圖像處理技術(shù)于一體的智能電子系統(tǒng)。她不僅表達(dá)以往智能電子管家的方便性，實(shí)用性，更增加了易擴(kuò)展的特性，使得用戶可以更加方便的選擇和擴(kuò)展所需的功能。為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的電子管家系統(tǒng)，提供了一個(gè)更容易的方式。系統(tǒng)概述與功能分析可擴(kuò)展智能電子管家強(qiáng)調(diào)功能模塊的易擴(kuò)展性，這是該系統(tǒng)與傳統(tǒng)電子管家

2、系統(tǒng)最大的區(qū)別所在。以往出現(xiàn)的電子管家均是一體化的設(shè)計(jì)，功能雖然強(qiáng)大，卻不容易改變。當(dāng)用戶需求發(fā)生變化比方家居構(gòu)造發(fā)生變化，所需要用到的功能發(fā)生變化時(shí)，想要及時(shí)更新電子管家的功能并非易事。本系統(tǒng)建立在FPGA平臺上，采用基于可編程邏輯設(shè)計(jì)的DE2平臺開發(fā)，非常方便功能的及時(shí)更新。再加上系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)之初，就將中央控制模塊與各個(gè)功能模塊相獨(dú)立，并在系統(tǒng)中提供接口用于新功能模塊的即插即用擴(kuò)展。系統(tǒng)的總體構(gòu)造如下圖：在圖一中，接口一，接口二等分別連接本系統(tǒng)中提供的各個(gè)功能模塊。獨(dú)立的功能模塊獨(dú)立完成各自的功能，比方視頻監(jiān)控模塊的具體功能就只在該模塊中完成，而自動鬧鈴提示功能就只在相應(yīng)的功能模塊中完成。

3、假設(shè)各個(gè)模塊之間需要相互通信，則先通過與本功能模塊相接的接口，再將通信信息交由中央控制模塊處理，完成通信。中央控制模塊統(tǒng)一管理各個(gè)功能模塊的運(yùn)行，包括控制信號的接收，處理，發(fā)送等工作，并監(jiān)測各個(gè)接口的運(yùn)行狀況。當(dāng)有功能需求發(fā)生變更時(shí)，將新增加的功能模塊連接到未使用的接口，以此方式，實(shí)現(xiàn)新功能模塊到已有系統(tǒng)的擴(kuò)展。表達(dá)其方便性與新功能的易擴(kuò)展性。采用這樣的系統(tǒng)架構(gòu)可以使得更個(gè)模塊相對獨(dú)立，表達(dá)模塊之間的松耦合性，和各功能模塊的高聚性。設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想本方案的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想就是以系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性為根本，表達(dá)系統(tǒng)的易擴(kuò)展性，運(yùn)用國外先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)“以人為本，按需設(shè)計(jì)，量體裁衣的原則，在設(shè)計(jì)思路上著重從保證

4、系統(tǒng)的健全性，易用性，實(shí)用性的角度展開。設(shè)計(jì)是工程的靈魂，優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對確保做好工程是至關(guān)重要的。本次系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)思想是：功能適用、實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)、用戶使用和維護(hù)方便、留有充分的可擴(kuò)大余地和符合系統(tǒng)技術(shù)可持續(xù)開展的要求，表達(dá)智能化，更要滿足信息化的開展要求。本著這個(gè)設(shè)計(jì)思想，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)緊扣以上原則，從以下幾個(gè)特性出發(fā)考慮：實(shí)用性：本系統(tǒng)包含的根本功能適用于智能家居管理的根本需求，能夠滿足家庭的日常功能管理。也可以運(yùn)用于其它場所。適用性：本系統(tǒng)安裝容易，使用方便，是未來家庭住宅信息化建立中的理想選擇。易擴(kuò)展性：本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式與設(shè)計(jì)架構(gòu)使得它具有良好的功能可定制，可擴(kuò)展特性，通過即

5、插即用的方式選擇適宜的外圍功能模塊實(shí)現(xiàn)符合環(huán)境需求的管理功能。穩(wěn)定性：本系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)，并通過統(tǒng)一管理的方式實(shí)現(xiàn)管理工作，保證各個(gè)功能模塊的完整性和運(yùn)行穩(wěn)定性。兼容性：本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的接口連接各個(gè)功能模塊，使得只要滿足接口要求的功能模塊都可以兼容的參加系統(tǒng)，且運(yùn)行時(shí)不發(fā)生沖突。開發(fā)平臺硬件平臺：Altera DE2開發(fā)板軟件平臺：Altera Nios操作系統(tǒng)：Windows 2000/*P/Vista1.5 適用場所家庭、賓館、公司企業(yè)、居民小區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等。系統(tǒng)功能模塊介紹系統(tǒng)概述本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能電子管家系統(tǒng)，采用中央控制模塊統(tǒng)一管理各個(gè)功能模塊的方式構(gòu)建系統(tǒng)。各個(gè)功能模塊通過與

6、中央控制模塊連接的接口接入到中央控制單元。中央控制模塊提供接口定義功能模塊與中央控制單元通信時(shí)需要的數(shù)據(jù)格式及相應(yīng)的控制信息，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和驅(qū)動各個(gè)功能模塊，并檢測各個(gè)接口，對接口進(jìn)展統(tǒng)一的管理。采用如此的架構(gòu)，可以表達(dá)本系統(tǒng)最大的特性，即插即用式的功能擴(kuò)展。當(dāng)用戶需要變更功能時(shí)，只需要將原有的，不再使用的功能模塊卸載，然后接入新的功能模塊就可使用新功能。中央控制模塊會自動檢測接口的使用情況，并讀出連接在接口之上的功能模塊標(biāo)識，并將其參加自己的管理圍。只要新增加的功能模塊接口滿足中央控制模塊連接的接口系統(tǒng)提供接口定義的規(guī)，即可實(shí)現(xiàn)即插即用。系統(tǒng)整體框圖見圖一中央控制模塊中央控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的總

7、體控制邏輯，中央控制模塊接收用戶的請求信息，并通過對信息的分析、處理，并發(fā)送控制信號給相應(yīng)的功能模塊，驅(qū)動其工作，然后接收功能模塊返回的信息，經(jīng)過加工、處理，以判定是否完成用戶請求的任務(wù)。中央控制模塊包括以下幾個(gè)功能，其功能構(gòu)造圖如圖二所示：遠(yuǎn)程控制信號接收模塊該子模塊用于遠(yuǎn)程接收用戶的控制命令。包括通過線路，或者無線的方式進(jìn)展的信號傳輸。用戶可以在辦公室或其他地方通過機(jī)對家中的智能電子管家進(jìn)展命令下達(dá)，或者變更指令等工作。而此時(shí)，用戶的命令首先送到此模塊進(jìn)展分析、處理，然后再交由處理邏輯單元進(jìn)展命令篩選和驅(qū)動相應(yīng)功能模塊工作。用戶也可以通過無線的方式，在不同地域?qū)﹄娮庸芗疫M(jìn)展命令和指定方案。

8、所有來自遠(yuǎn)程的用戶控制命令都需要先到達(dá)此模塊。以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的完整性和協(xié)調(diào)性。部總線部總線為處理邏輯模塊與接口組之間提供通信的橋梁，并連接中央處理模塊各個(gè)子模塊，保證信號傳輸?shù)耐緩綍惩?。接收到用戶請求后，?jīng)過對命令的分析、過濾、篩選。處理邏輯通過部總線向各個(gè)功能模塊發(fā)送驅(qū)動信號，并控制其工作，以響應(yīng)用戶的命令請求。部總線要現(xiàn)驅(qū)動信號的優(yōu)先級判定，通過讀取請求信號的信息，判定控制信號發(fā)送的優(yōu)先級別。接收信號模塊接收信號模塊用于接收各個(gè)功能模塊的返回信息，并將其交由處理邏輯單元進(jìn)展協(xié)調(diào)處理。接收信號模塊需要讀取接收到的反應(yīng)信息來自哪個(gè)接口，哪個(gè)設(shè)備。并針對反應(yīng)信號的標(biāo)識，判定優(yōu)先級。該模塊

9、還需要對功能模塊部件突發(fā)的中斷進(jìn)展判斷，并給出相應(yīng)的初步中斷處理動作，然后再交由處理邏輯單元進(jìn)展后續(xù)處理。用戶編程接口此接口為高級應(yīng)用接口，用戶可以通過將計(jì)算機(jī)與智能電子管家系統(tǒng)相連接，在計(jì)算機(jī)上通過圖形界面的方式為電子管家指定管理策略，或者設(shè)置第二天需要完成的時(shí)間表方案。用戶通過計(jì)算機(jī)上的圖形操作界面，進(jìn)展命令設(shè)置，然后生成方案表，該接口讀取用戶編寫的方案表，生成相應(yīng)的動作執(zhí)行表，交給處理邏輯單元，按方案安排各個(gè)功能模塊的工作。此接口為用戶提供了方便的管理模式，并為實(shí)現(xiàn)智能電子管家的智能管理自動化提供了根底。接口檢測模塊此模塊用于檢測當(dāng)前電子管家系統(tǒng)中提供的所有接口，包括已使用的和未使用的。

10、采用輪詢檢測的方式工作，檢查各個(gè)接口的使用情況，并生成相應(yīng)的使用表記錄。假設(shè)*個(gè)接口的使用情況發(fā)生變化，則需要更新其使用情況表，并標(biāo)識出接口的根本信息，包括接口，接口地址等。此接口為系統(tǒng)功能模塊擴(kuò)展提供便利的方式。通過檢測接口的情況，配置更改的功能模塊，是本系統(tǒng)易擴(kuò)展性的表達(dá)。接口組接口用于連接各個(gè)功能模塊，電子管家擁有的所有功能都通過接口連接到中央控制模塊，由中央統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。而接口就是連接功能模塊與中央單元的橋梁。本系統(tǒng)中，接口采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，此處所提的接口事實(shí)上是一個(gè)部接口，它是中央控制單元可以識別的一組數(shù)據(jù)線，而這組數(shù)據(jù)線或者說是引腳中的每一位分別完成各自的用途，最終整合在一起，表

11、示一個(gè)數(shù)據(jù)連接模式。本系統(tǒng)中所說的接口與外部常用的一些接口，如USB等并不一樣。假設(shè)想要實(shí)現(xiàn)USB等接口到本地部接口的連接，需要系統(tǒng)提供相應(yīng)的驅(qū)動程序，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的變換，然后才可以互連。接口組系統(tǒng)框圖如圖五所示：圖五接口組系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)提供常用外部接口到部接口組互連所需的驅(qū)動，包括USB、RS232等。本地部接口組的功能只是方便功能模塊連接到中央控制單元。保證兩者之間的數(shù)據(jù)通信。實(shí)現(xiàn)即插即用。這也是本系統(tǒng)易擴(kuò)展性最大的表達(dá)。處理邏輯模塊處理邏輯模塊是本系統(tǒng)中央控制的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的協(xié)同工作。負(fù)責(zé)處理，判定相應(yīng)的接口信息，用戶命令。此模塊按照用戶設(shè)定的管理模式，生成各個(gè)功能模塊的

12、工作時(shí)序。統(tǒng)一控制電子管家中的各個(gè)功能。處理邏輯模塊需要完成的功能如下：接收來自于總線的信號，并對其進(jìn)展邏輯判定。完成發(fā)到各個(gè)功能模塊的控制信息的組合打包，完成生成控制信息所需的一些邏輯運(yùn)算。獲取接收信號模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，并進(jìn)展過濾、分析。查找、判定出對應(yīng)的接口信息，設(shè)備信息，并針對具體功能，生成控制信號。管理各個(gè)功能模塊之間的協(xié)同工作，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)接口檢測模塊發(fā)回的接口使用情況，建立和管理接口使用情況表，能夠根據(jù)讀入的接口、設(shè)備信息生成相應(yīng)的控制策略。日常功能模塊日常功能模塊是所有電子管家負(fù)責(zé)管理的事務(wù)和提供的功能的總稱，是電子管家功能的表達(dá)。日常功能是用戶命令驅(qū)使下的日程表

13、式的工作。是每日必需的管理智能，可由用戶統(tǒng)一定制管理模式，也可以由用戶提前設(shè)定需要的管理容。日常功能負(fù)責(zé)每日的定式管理容。負(fù)責(zé)每天都必需的操作。屬于靜態(tài)管理的疇。包括：語音報(bào)時(shí)鐘功能，備忘提示功能，定時(shí)控制功能等功能模塊語音報(bào)時(shí)鐘功能該功能負(fù)責(zé)定時(shí)的提醒，報(bào)時(shí)功能，準(zhǔn)確的將時(shí)間報(bào)給用戶，以方便用戶對于時(shí)間的掌控。通過以下的幾種方式進(jìn)展工作：1.遙控報(bào)時(shí) 主人可按動遙控器按鍵，主機(jī)可通過機(jī)喇叭語音報(bào)時(shí)。2.整點(diǎn)報(bào)時(shí) 可利用語音報(bào)時(shí)間，例如“時(shí)間十四點(diǎn)整3.鬧鐘功能利用此功能可早晨起床呼醒,鬧鐘聲音由弱到強(qiáng)，這樣的鬧鈴聲不會使人感到瞬間的驚醒感，使得電子管家更加人性化。備忘提示功能當(dāng)主人每天有*項(xiàng)

14、事情要提示時(shí)(如提示主人吃藥時(shí)間到了，接小孩子放學(xué))可利用該功能輸入備忘提示的時(shí)間，并錄音提示的容。時(shí)間到時(shí)會自動播放錄音。定時(shí)控制功能可根據(jù)用戶事先編制的時(shí)間控制程序到達(dá)定時(shí)控制家電的目地。此功能主要負(fù)責(zé)控制家中的家用電器的工作方式，到達(dá)節(jié)約能源，綠色環(huán)保的目的。異常處理功能模塊所謂異常處理是指：當(dāng)發(fā)生異常狀況時(shí)，電子管家要給出相應(yīng)的應(yīng)對措施，主要是通過監(jiān)測技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對突發(fā)事件的處理。包括以下幾個(gè)方面的容：可針對盜警、火警、煤氣泄漏液化石油氣、匪警、緊急求助等多種警情進(jìn)展平安防，和即時(shí)報(bào)警可對報(bào)警等歷史記錄進(jìn)展查詢。有線、無線門鈴功能當(dāng)按動室外有線或無線按鈕時(shí)，主時(shí)機(jī)發(fā)出“叮

15、咚門鈴聲提示主人開門。家庭監(jiān)測管理此功能負(fù)責(zé)對家中需要監(jiān)護(hù)的人員的狀況進(jìn)展監(jiān)控，以保證發(fā)生突發(fā)事件時(shí)給出及時(shí)的應(yīng)對措施。比方對家中老年人安康狀況的監(jiān)護(hù)，一旦發(fā)生突發(fā)狀況。電子管家負(fù)責(zé)第一時(shí)間通知用戶，進(jìn)展緊急處理，同時(shí)，按照用戶設(shè)定好的應(yīng)急措施進(jìn)展工作如：撥打120，通知最近的負(fù)責(zé)人員，醫(yī)師等擴(kuò)展功能模塊本系統(tǒng)采用由中央控制模塊統(tǒng)一管理，協(xié)同工作的方式進(jìn)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以此到達(dá)系統(tǒng)方便的擴(kuò)展特性。當(dāng)用戶需要增加新的管理功能時(shí)，只需要將新增功能的模塊直接連入電子管家提供的外部接口，然后，電子管家通過其部接口與外部接口之間的驅(qū)動程序識別新增加的功能模塊，并將其參加控制列表中，解讀其控制模式。即可完成新

16、增功能的添加。第三章 系統(tǒng)功能模塊實(shí)現(xiàn)方式中央控制模塊中央控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的總體控制邏輯，中央控制模塊接收用戶的請求信息，并通過對信息的分析、處理，并發(fā)送控制信號給相應(yīng)的功能模塊，驅(qū)動其工作，然后接收功能模塊返回的信息，經(jīng)過加工、處理，以判定是否完成用戶請求的任務(wù)。其部實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)造框圖如下圖：圖四 部實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)造框圖遠(yuǎn)程控制信號接收模塊該子模塊用于遠(yuǎn)程接收用戶的控制命令。包括通過線路，或者無線的方式進(jìn)展的信號傳輸。用戶可以在辦公室，通過機(jī)對家中的智能電子管家進(jìn)展命令下達(dá)，或者變更指令等工作。用戶可以通過辦公室固定撥打電子管家所對應(yīng)的線路事實(shí)上就是將家中的線與電子管家相連，用戶只需撥打家中的

17、即可，然后電子管家會給出提示音，提示用戶通過按鍵的方式進(jìn)展遠(yuǎn)程控制，與命令的指派。 部總線部總線為處理邏輯模塊與接口組之間提供通信的橋梁。部總線要現(xiàn)驅(qū)動信號的優(yōu)先級判定，通過讀取請求信號的信息，判定控制信號發(fā)送的優(yōu)先級別?？梢圆捎秒娐放袃?yōu)的方式實(shí)現(xiàn)。部總線事實(shí)上就是一些數(shù)據(jù)位線，其功能只是連通各個(gè)模塊，給與模塊之間通信的線路。接收信號模塊接收信號模塊用于接收各個(gè)功能模塊的返回信息，并將其交由處理邏輯單元進(jìn)展協(xié)調(diào)處理。接收信號模塊需要讀取接收到的反應(yīng)信息來自哪個(gè)接口，哪個(gè)設(shè)備。并針對反應(yīng)信號的標(biāo)識，判定優(yōu)先級。實(shí)現(xiàn)方式可以采用電路直接連接，配合判優(yōu)過程。在驅(qū)動程序中完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。用戶編程接

18、口此接口為高級應(yīng)用接口，用戶可以通過將計(jì)算機(jī)與智能電子管家系統(tǒng)相連接，在計(jì)算機(jī)上通過圖形界面的方式為電子管家指定管理策略，或者定義第二天需要完成的時(shí)間表方案。利用C+或者Delphi開發(fā)針對計(jì)算機(jī)接口的程序，計(jì)算機(jī)的接口與電子管家專用的與計(jì)算機(jī)相連的接口相接。用戶在計(jì)算機(jī)圖形界面上的操作，完成對希望傳遞到計(jì)算機(jī)接口的數(shù)據(jù)進(jìn)展設(shè)置和封裝。電子管家通過讀取接口數(shù)據(jù)，自動配置其管理時(shí)間表及管理模式，此局部功能，事實(shí)上就是接口數(shù)據(jù)的獲取，重編程過程。接口組接口用于連接各個(gè)功能模塊，電子管家擁有的所有功能都通過接口連接到中央控制模塊，由中央統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。而接口就是連接功能模塊與中央單元的橋梁。本系統(tǒng)中，

19、接口采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，此處所提的接口事實(shí)上是一個(gè)部接口，它是中央控制單元可以識別的一組數(shù)據(jù)線，而這組數(shù)據(jù)線或者說是引腳中的每一位分別完成各自的用途，最終整合在一起，表示一個(gè)數(shù)據(jù)連接模式。本系統(tǒng)中所說的接口與外部常用的一些接口，如USB等并不一樣。假設(shè)想要實(shí)現(xiàn)USB等接口到本地部接口的連接，需要系統(tǒng)提供相應(yīng)的驅(qū)動程序，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的變換，然后才可以互連。此處的部接口實(shí)際上是一個(gè)邏輯接口，實(shí)現(xiàn)方式為將一組引腳聯(lián)合起來表示一個(gè)邏輯接口的功能。采用這樣的方式，是使得電子管家部的控制信號模式得到統(tǒng)一，使得電子管家發(fā)出的控制信號具有統(tǒng)一的組成形式。而對于具體的功能模塊，需要該模塊與中央控制模塊相連接的

20、驅(qū)動程序解讀來自部接口的控制信息，然后完成控制模式的配置。例如：中央控制模塊只有三種控制模式,分別為：101型，100型，110型。即當(dāng)電子管家希望對*個(gè)功能模塊發(fā)出控制信息時(shí)，*個(gè)接口中的三個(gè)引腳上的數(shù)據(jù)表示為101選擇101型。然后，功能模塊需要讀出此控制信息。接著完成相應(yīng)的動作。這樣的方式，使得控制局部與邏輯功能局部實(shí)現(xiàn)別離，電子管家所需要做的只是控制，僅僅只是控制。電子管家不關(guān)心所需的功能是怎樣的，只關(guān)心怎樣去控制和驅(qū)動相應(yīng)的功能。處理邏輯模塊處理邏輯模塊是本系統(tǒng)中央控制的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的協(xié)同工作。負(fù)責(zé)處理，判定相應(yīng)的接口信息，用戶命令。并按照用戶設(shè)定的管理模式，生成各個(gè)功能模塊的工作時(shí)序。統(tǒng)一控制電子管家中的各個(gè)功能。處理邏輯模塊需要完成的功能如下：1.接收來自于總線的信號，并對其進(jìn)展邏輯判定。完成發(fā)到各個(gè)功能模塊的控制信息的組合打包，完成生成控