基于Altera_FPGA的智能識別可擴展電子管理系統方案內部.doc

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?.基于Altera Nios II的智能識別可擴展電子管理系統陳旻、王龍祥、王平(云南大學 信息學院,昆明 650091)第一章 概述1.1 前言可擴展智能電子管理系統,通俗的說,稱為方便擴展的智能電子管家(以下簡稱系統),是建立在Altera公司可編程邏輯設計平臺上的,基于FPGA的智能化家庭電子管理系統。是集嵌入式技術,通信技術,傳感器技術,語音與圖像處理技術于一體的智能電子系統。她不僅體現以往智能電子管家的方便性,實用性,更增加了易擴展的特性,使得用戶可以更加方便的選擇和擴展所需的功能。為實現個性化的電子管家系統,提供了一個更容易的方式。1.2 系統概述與功能分析 可擴展智能電子管家強調功能模塊的易擴展性,這是該系統與傳統電子管家系統最大的區別所在。以往出現的電子管家均是一體化的設計,功能雖然強大,卻不容易改變。當用戶需求發生變化(比如家居結構發生變化,所需要用到的功能發生變化時),想要及時更新電子管家的功能并非易事。本系統建立在FPGA平臺上,采用基于可編程邏輯設計的DE2平臺開發,非常方便功能的及時更新。再加上系統架構設計之初,就將中央控制模塊與各個功能模塊相獨立,并在系統中提供接口用于新功能模塊的即插即用擴展。系統的總體結構如圖所示: 在圖一中,接口一,接口二等分別連接本系統中提供的各個功能模塊。獨立的功能模塊獨立完成各自的功能,比如視頻監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的功能模塊中完成。若各個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。中央控制模塊統一管理各個功能模塊的運行,包括控制信號的接收,處理,發送等工作,并監測各個接口的運行狀況。當有功能需求發生變更時,將新增加的功能模塊連接到未使用的接口,以此方式,實現新功能模塊到已有系統的擴展。體現其方便性與新功能的易擴展性。 采用這樣的系統架構可以使得更個模塊相對獨立,體現模塊之間的松耦合性,和各功能模塊內的高內聚性。1.3 設計指導思想本方案的設計指導思想就是以系統運行的穩定性為根本,體現系統的易擴展性,運用國內外先進技術,根據“以人為本,按需設計,量體裁衣”的原則,在設計思路上著重從保證系統的健全性,易用性,實用性的角度展開。設計是工程的靈魂,優化設計環節對確保做好工程是至關重要的。本次系統總體設計方案的指導思想是:功能適用、實用、技術先進、用戶使用和維護方便、留有充分的可擴充余地和符合系統技術可持續發展的要求,體現智能化,更要滿足信息化的發展要求。本著這個設計思想,本系統在設計時緊扣以上原則,從以下幾個特性出發考慮:實用性:本系統包含的基本功能適用于智能家居管理的基本需求,能夠滿足家庭的日常功能管理。也可以運用于其它場所。適用性:本系統安裝容易,使用方便,是未來家庭住宅信息化建設中的理想選擇。易擴展性:本系統的設計方式與設計架構使得它具有良好的功能可定制,可擴展特性,通過即插即用的方式選擇合適的外圍功能模塊實現符合環境需求的管理功能。穩定性:本系統根據系統功能模塊設計,并通過統一管理的方式實現管理工作,保證各個功能模塊的完整性和運行穩定性。兼容性:本系統采用統一的接口連接各個功能模塊,使得只要滿足接口要求的功能模塊都可以兼容的加入系統,且運行時不發生沖突。1.4 開發平臺硬件平臺:Altera DE2開發板軟件平臺:Altera NiosⅡ操作系統:Windows 2000/XP/Vista1.5 適用場所家庭、賓館、公司企業、居民小區、風景名勝區等。第二章 系統功能模塊介紹2.1 系統概述本系統實現智能電子管家系統,采用中央控制模塊統一管理各個功能模塊的方式構建系統。各個功能模塊通過與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需要的數據格式及相應的控制信息,負責協調和驅動各個功能模塊,并檢測各個接口,對接口進行統一的管理。 采用如此的架構,可以體現本系統最大的特性,即插即用式的功能擴展。當用戶需要變更功能時,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識,并將其加入自己的管理范圍。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(系統提供接口)定義的規范,即可實現即插即用。系統整體框圖見圖一2.2 中央控制模塊 中央控制模塊負責整個系統的總體控制邏輯,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,并發送控制信號給相應的功能模塊,驅動其工作,然后接收功能模塊返回的信息,經過加工、處理,以判定是否完成用戶請求的任務。中央控制模塊包括以下幾個功能,其功能結構圖如圖二所示:2.2.1 遠程控制信號接收模塊該子模塊用于遠程接收用戶的控制命令。包括通過電話線路,或者無線的方式進行的信號傳輸。用戶可以在辦公室或其他地方通過電話機對家中的智能電子管家進行命令下達,或者變更指令等工作。而此時,用戶的命令首先送到此模塊進行分析、處理,然后再交由處理邏輯單元進行命令篩選和驅動相應功能模塊工作。用戶也可以通過無線的方式,在不同地域對電子管家進行命令和指定計劃。所有來自遠程的用戶控制命令都需要先到達此模塊。以保證整個系統運行邏輯的完整性和協調性。2.2.2 內部總線 內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內各個子模塊,保證信號傳輸的途徑暢通。接收到用戶請求后,經過對命令的分析、過濾、篩選。處理邏輯通過內部總線向各個功能模塊發送驅動信號,并控制其工作,以響應用戶的命令請求。 內部總線要求實現驅動信號的優先級判定,通過讀取請求信號的信息,判定控制信號發送的優先級別。2.2.3 接收信號模塊接收信號模塊用于接收各個功能模塊的返回信息,并將其交由處理邏輯單元進行協調處理。接收信號模塊需要讀取接收到的反饋信息來自哪個接口,哪個設備。并針對反饋信號的標識,判定優先級。該模塊還需要對功能模塊部件突發的中斷進行判斷,并給出相應的初步中斷處理動作,然后再交由處理邏輯單元進行后續處理。2.2.4 用戶編程接口此接口為高級應用接口,用戶可以通過將計算機與智能電子管家系統相連接,在計算機上通過圖形界面的方式為電子管家指定管理策略,或者設置第二天需要完成的時間表計劃。用戶通過計算機上的圖形操作界面,進行命令設置,然后生成計劃表,該接口讀取用戶編寫的計劃表,生成相應的動作執行表,交給處理邏輯單元,按計劃安排各個功能模塊的工作。此接口為用戶提供了方便的管理模式,并為實現智能電子管家的智能管理自動化提供了基礎。2.2.5 接口檢測模塊此模塊用于檢測當前電子管家系統中提供的所有接口,包括已使用的和未使用的。采用輪詢檢測的方式工作,檢查各個接口的使用情況,并生成相應的使用表記錄。若某個接口的使用情況發生變化,則需要更新其使用情況表,并標識出接口的基本信息,包括接口編號,接口地址等。此接口為系統功能模塊擴。省略部分。用戶事先編制的時間控制程序達到定時控制家電的目地。此功能主要負責控制家中的家用電器的工作方式,達到節約能源,綠色環保的目的。2.4 異常處理功能模塊所謂異常處理是指:當發生異常狀況時,電子管家要給出相應的應對措施,主要是通過監測技術與傳感器技術結合來實現對突發事件的處理。包括以下幾個方面的內容:一、 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行安全防范,和即時報警二、 可對報警等歷史記錄進行查詢。三、 有線、無線門鈴功能當按動室外有線或無線按鈕時,主機會發出“叮咚”門鈴聲提示主人開門。四、 家庭監測管理此功能負責對家中需要監護的人員的狀況進行監控,以保證發生突發事件時給出及時的應對措施。比如對家中老年人健康狀況的監護,一旦發生突發狀況。電子管家負責第一時間通知用戶,進行緊急處理,同時,按照用戶設定好的應急措施進行工作(如:撥打120,通知最近的負責人員,醫師等)2.5 擴展功能模塊本系統采用由中央控制模塊統一管理,協同工作的方式進行系統設計,以此達到系統方便的擴展特性。當用戶需要增加新的管理功能時,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,電子管家通過其內部接口與外部接口之間的驅動程序識別新增加的功能模塊,并將其加入控制列表中,解讀其控制模式。即可完成新增功能的添加。第三章 系統功能模塊實現方式3.1 中央控制模塊中央控制模塊負責整個系統的總體控制邏輯,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,并發送控制信號給相應的功能模塊,驅動其工作,然后接收功能模塊返回的信息,經過加工、處理,以判定是否完成用戶請求的任務。其內部實現設計結構框圖如圖所示:圖四 內部實現設計結構框圖3.1.1 遠程控制信號接收模塊該子模塊用于遠程接收用戶的控制命令。包括通過電話線路,或者無線的方式進行的信號傳輸。用戶可以在辦公室,通過電話機對家中的智能電子管家進行命令下達,或者變更指令等工作。用戶可以通過辦公室固定電話撥打電子管家所對應的電話線路(事實上就是將家中的電話線與電子管家相連,用戶只需撥打家中的電話即可),然后電子管家會給出提示音,提示用戶通過按鍵的方式進行遠程控制,與命令的指派。3.1.2 內部總線內部總線為處理邏輯模塊與接口組之間提供通信的橋梁。內部總線要求實現驅動信號的優先級判定,通過讀取請求信號的信息,判定控制信號發送的優先級別??梢圆捎秒娐放袃灥姆绞綄崿F。內部總線事實上就是一些數據位線,其功能只是連通各個模塊,給與模塊之間通信的線路。3.1.3 接收信號模塊接收信號模塊用于接收各個功能模塊的返回信息,并將其交由處理邏輯單元進行協調處理。接收信號模塊需要讀取接收到的反饋信息來自哪個接口,哪個設備。并針對反饋信號的標識,判定優先級。實現方式可以采用電路直接連接,配合判優過程。在驅動程序中完成數據格式的轉換。3.1.4 用戶編程接口此接口為高級應用接口,用戶可以通過將計算機與智能電子管家系統相連接,在計算機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間表計劃。利用C++或者Delphi開發針對計算機接口的程序,計算機的接口與電子管家專用的與計算機相連的接口相接。用戶在計算機圖形界面上的操作,完成對希望傳遞到計算機接口的數據進行設置和封裝。電子管家通過讀取接口數據,自動配置其管理時間表及管理模式,此部分功能,事實上就是接口數據的獲取,重編程過程。3.1.5 接口組接口用于連接各個功能模塊,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,由中央統一協調管理。而接口就是連接功能模塊與中央單元的橋梁。本系統中,接口采用統一的數據格式,此處所提的接口事實上是一個內部接口,它是中央控制單元可以識別的一組數據線,而這組數據線(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,表示一個數據連接模式。本系統中所說的接口與外部常用的一些接口,如USB等并不一樣。若想要實現USB等接口到本地內部接口的連接,需要系統提供相應的驅動程序,來實現數據格式的變換,然后才可以互連。此處的內部接口實際上是一個邏輯接口,實現方式為將一組引腳聯合起來表示一個邏輯接口的功能。采用這樣的方式,是使得電子管家內部的控制信號模式得到統一,使得電子管家發出的控制信號具有統一的組成形式。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驅動程序解讀來自內部接口的控制信息,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。即當電子管家希望對某個功能模塊發出控制信息時,某個接口中的三個引腳上的數據表示為101(選擇101型)。然后,功能模塊需要讀出此控制信息。接著完成相應的動作。這樣的方式,使得控制部分與邏輯功能部分實現分離,電子管家所需要做的只是控制,僅僅只是控制。電子管家不關心所需的功能是怎樣的,只關心怎樣去控制和驅動相應的功能。3.1.6 處理邏輯模塊處理邏輯模塊是本系統中央控制的核心,負責協調各個功能模塊的協同工作。負責處理,判定相應的接口信息,用戶命令。并按照用戶設定的管理模式,生成各個功能模塊的工作時序。統一控制電子管家中的各個功能。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,并對其進行邏輯判定。完成發到各個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算。2. 獲取接收信號模塊傳送過來的數據,并進行過濾、分析。查找、判定出對應的接口信息,設備信息,并針對具體功能,生成控制信號。3. 管理各個功能模塊之間的協同工作,保證系統運行的穩定性。根據接口檢測模塊發回的接口使用情況,建立和管理接口使用情況表,能夠根據讀入的接口、設備信息生成相應的控制策略。 日常功能模塊與異常處理功能模塊日常功能模塊與異常處理功能模塊為本電子管家系統的應用型模塊,每一個相應的模塊都完成一個特定的功能,這些功能就是電子管家提供給用戶的應用型功能。這些功能在中央控制模塊的統一管理控制下,完成整個系統的完整管理功能,提供給用戶穩定,便捷的使用系統。各個應用型功能模塊的實現方式不同,在此不加詳述。但要求開發以上功能模塊時,必須遵循一定的數據組成格式,要求在功能模塊中加入對中央控制模塊控制信號的解讀功能,也就是說,要求功能模塊匹配控制信號。而傳統的開發方式均是控制信號去匹配功能模塊,這樣做,可以加快開發速度,但功能一旦發生變化,控制信號也需要隨之變化,無形中增加了維護的時間和成本。本系統采用功能模塊匹配控制信號的方式,要求在功能模塊的開發設計時就考慮控制信號格式,按統一的控制信號方式去設計功能。這樣做,使得控制部分與功能部分分離,不僅減少了維護周期和成本,也獲得了極其容易的擴展性。這也是本系統最大的創新點所在。3.2 擴展功能模塊本系統最大的特點就是方便的功能擴展。實現擴展,靠的是統一的接口形式。所有滿足內部接口規定的信號組成的功能模塊都可以直接連入本電子管家系統。實現即插即用。擴展功能模塊的設計結構框圖如下:.
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