（计算机应用技术专业论文）环绕智能家居控制系统设计与核心控制器的硬件实现.pdfVIP

摘要 环绕智能是对未来信息社会远景的一个构想，可以看作“无处不在的计算” 和“自然的人机交互”概念的融合，是为了满足人们对生活质量的要求的逐渐提 高而产生的新的概念。它是一种具有智能特性、可对用户行为做出类似人类知觉 反应的电子环境。 论文以局域环绕智能为应用背景，选用) ( i l i n x 公司f p g a 开发板s p a n 锄一3 m b 作为开发平台，搭建了一个环绕智能研究环境，设计了环绕智能家居控制系 统的整体结构，并重点阐述了家居控制器的硬件设计与实现。首先，研究了软硬 件协同设计方法，将其作为整个系统设计、实现的指导思想。其次，分析了有线 网络技术和家庭总线技术，并选择口v 6 协议及b a c n e t 协议作为家居控制系统 的基本网络协议。接着，以个性化服务的理论及体系结构为基础，采用蓝牙感知 技术，设计了家居控制系统的体系结构、通信协议及控制协议、软硬件接口等， 实现了可以通过m 网络控制家电设备的原型系统。最后，重点研究了高速电路 设计方法及电磁兼容理论，充分利用c a d e n c ep c b 设计工具a l l e g r o 及相关 软件，结合s p a r t a l l 31 5 0 0f p g a 的结构特点及布线要求，对环绕智能家居控制 系统中的核心控制器家居控制器进行了硬件电路的裁减及p c b 设计。 论文通过计算机强大的数据处理、运算能力将家庭自动化和互联网结为一 体，在环绕智能领域的研究过程中提出了创新的概念、方法，为人们提供智能化、 透明化的服务，改进了人们的生活方式，为我国在该领域进一步的研究做出了贡 献。 关键词环绕智能；家居控制；硬件裁减集成；高速p c b 设计 a b s t r a c t a m b i e n ti n t e l l i g e n c ei sav i s i o no f i n f o m a t i o ns o c i e t yi nt l l ef u t i l r e i ti n t r o j e c t st h c c o n c e p t so f “u b i q u i t o u sc o m p u t i i l g ”a n d “m t l l r a lh l m l a n c o m p u t e rm t e r a c t i o n ，n s a t i s 五e su s e r sw i t l lh i g hq u a 】i t y1 i f c a m b i e n ti n t c l l j g e n c ec a nr e a c tl i l ( ea p e r s o nt o u s e r sb e h a v i o r s t h i sp a p e ri sb 嬲e do nl o c a la m b i e mi n t e l l i g e n c e i tb u i l d sar e s e a r c hp l a t f o 皿 b 硒e do ns p a r t a l l 一3m bd e v e l o p m e mb o a r do f ) ( i l i n 】( nd e s i g 璐a 舳m e w o r kf o f h o m es y s t e mi na m b i e mi l l t e l l i g e n c e 姐di n n o d l l c e sh 甜d w a r ed e s i g no fh o m e c o m o l l e ri nd e 伽f i r s to f a i l ，i ts t u d i e sh 盯d w 盯e s o f t 、啪c o - d c s i g i l 锄dm a l 【e si t 鹪 m eg u i d ef o rt h ew h o l es y s t e md e s i g n s e c o n d ，i ts t l l d i e sc a b l en e t w o r ka i l dh o m e b 璐e s ，柚dc h o o s e si p v 6a i l db a c n c ta sn l cb 鹪i cp r o t o c o l si 1 1h o m es y s t e m t h i r d ， b 嬲e do n 恤et h e o f i e sa n da r c l l i t c c t u r eo f 砌i v i d l l a ls e r v i c e ，姐d 响hm eh e l p0 f b l u e t o o t hs e n s i t i v i t y ，i tc o m p l e t c st l l e d e s i g no f 矗a i i l e w o r k ，c o m m u i l i c a t i o na n d c o n 仃o lp r o t o c o l s ，i n t e ：r f k e sb e t 、v c e n 王l a m w a r c 觚ds o 肌a r ea n ds oo n nr e a l i z e s a r c h e t y p a ls y s t e m 岫c a i lc o n 们lh o l l s ea p p l i a n c et l l l o u g l ln e t 、 ，o r k l 船t ，w i t l l 也c l ( i l o w i e d g eo fh i 曲- s p e e dc i r c l l i td e s i 弘锄de m c l e c t r 0m a g n e t i cc o m p a t i b i l i 劝， t a k i n gt h ea d v a n t a g eo fa l l e g r oa i l do 血e rp c bd e s i 髓t o o l si nc a d e n c ea n dt a h n g s 仉j c t u r ef c a _ t i l r ea n df o u t i n gr e q u e s to fs p a r t a i l - 3i n l da c c o m l t ，i tc u t sd o w nh o m e c o n 们l l e ra n dd e s i g ni t sp c ba tl 硒t t h ep a p e rp r o p o s e sab 舢- n e wc o n c e p ta i l dm e m o di nm ea m b i e n ti n t e l l i g e n c e r e s e a r c hp r o c e s s t h eh o m es y s t e mo 行h si m e l l 噜e n t 肌d 吣p a r c n ts e r v i c e st o p e o p l ea l l di m p r o v e sp e o p l e sl i f e s oi tc o n t d b u t e sal o tt ot h er e s e a r c hi nt h i sf i e l di n o l l rc o u m 阱 k e y r d sa m b i e n th i t e l l i g c n c e ；h o m ec o n t 1 ；1 l a r d w a r cp n i i l i n ga n di i l t c g r a t i o n ； l l i g h - s p e e dp c bd e s i g n - i i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拙。日期：型21 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学问论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 环绕智能的基本概念和研究目标 2 1 世纪是信息化的年代，随着生活水平对数字化、信息化的需求进一步的 提高，人们对生活质量的要求逐渐提高，从而推动计算机研究的重点逐渐转移到 以用户为中心的模式。 1 9 9 1 年，前x e r o xp a r c 首席科学家m a r kw j i s e r 在s c i e n t i f i ca m 耐c a n 杂志上发表的“1 1 1 ec o m p u t e rf o r2 1 s tc e n n l r ) ，”一文中首次描述了计算无处不在 ( u b i q u i l o l l sc o m p 幽g ) 的概念【l j o1 9 9 8 年p 1 1 i l i p s 组织的一个系列研讨会上首次 提出了环绕智能( a m b i e mh t e l l i g c n c e ，即a m i ) 的概念，目的是设计不同的应用场 景促进消费电子产业的发展 2 j 。2 0 0 1 年，欧洲信息社会与技术咨询小组 ( i n f o m a t i o ns o c i e t ya 1 1 dt e c l l l l o l o g ya d v i s o r yg r o u p ，i s t a g ) 发表了“2 0 1 0 年 环绕智能应用场景( s c e n a r i o s f o r a m b i e m i n t e l l i g e n c e i n 2 0 1 0 ) ”报告，提出了“环 绕智能信息社会的构想”，并将其作为欧盟第六个科研框架计划( i s tf p 6 ) 中信 息社会技术( i l l f o m a t i o ns o c i e t ) ，t e c h n o l o g i e s ，i s t ) 研究的关键主题，并投入 大量经费支持p j 。 环绕智能开创了一个前所未有的世界，是对未来信息社会远景的一种构想， 它是一种具有智能特性、可对用户行为做出类似人类知觉反应的电子环境1 3 “j 。 环绕智能可以看作“无处不在的计算”和“自然的人机交互”概念的融合，它注 重于对用户的友好界面，有效及分布式的服务，用户的授权及对人机交互的支持 【5 】。环绕智能表现出的主要特征为无处不在、智能感知及自然交互。无处不在是 指人们被一个广泛分布的互联嵌入式系统所环绕；感知性是指环绕智能系统能够 主动感受到人们的各种行为；智能性是该系统所展示的一种特殊的交互形式，即 环境必须能够识别人们的身份，通过学习人们的行为最终使系统具有类似人类知 觉的特征，例如不需介入就可以预见人们的需求1 6 】；自然交互指人们与系统交互 时，可以使用人类的自然交互语言，如：动作、语言、眼神等【7 】。环绕智能将人 机交互的方式由常见的p c 机桌面方式转变为可以通过p d a 、机器人等控制嵌入 到周围环境中的设备，方便人们的生活和工作。 环绕智能与“无处不在的计算( u b i q u “o l l sc o m p 埘n g ) ”有所不同，环绕智 能更加注重于智能性、环绕性，会联系上下文及用户的工作环境对用户的行为或 命令做出适当的反应，强调对用户的个性化服务。 1 1 2 国内外现状 2 0 0 2 年p l i l i 口sh o m e l a b 正式开放，目标是建立一个适用于家居的环绕智能 环境，这标志着h o m e l a b 开始了环绕智能的研究工作。0 6 年1 0 月，飞利浦在 位于e i n d l l o v e n 的高技术园区又设立了两个新的实验室c a r e l a b 和s h o p l a b ， 进行体验研究，他们与h o m e l a b 一起落名于体验实验室( e x p e r i e n c e l a b ) 【”。在 c a r e l a b 中，p h i l i p s 致力于研究家庭环境中的交互式卫生保健系统的解决方案； 在s h o p l a b 中，个性化的购物体验将得到增强。通过这些实验室，p h i l i p s 不仅 能够对环绕智能在家庭环境中的可行性及可用性进行研究，还能够针对私人应用 和体验进行研究。 虽然a m i 的概念是首先在欧洲提出的，但是许多相似概念的研究也已经在全 世界的范围内展开了。比如，麻省理工学院人工智能实验室( m i t a il a b ) 的 i m e l l i g e n tr o o m 【9 】和p r o ；e c to x y g e n 【10 1 、斯坦福( s t a n f o r d ) 大学的i n t e r a c t i v e w o r k s p a c e 】、佐治亚技术理工学院( g i t ) 的a w a r eh o m e 【”j 、微软研究院 ( m i c r o s o f tr e s e a r c h ) 的e a s yl i v i n g ，a t & tl a b o m t o r i e sc a l t l b r i d g ea i l d u n i v e r s i t y o f c 锄b r i d g e 的s e m i e n t c o m p u t i f l ”】等。这些应用多是以家电能够直 接接入i n t e r n e t 为基础。 在国内，一些学术机构也在进行相关的研究，并取得了一定成果。如清华大 学的“s m a nc l a s s r o o m ”项目【1 5 】，强调与用户交互的透明性与便捷性；浙江大学 的s c u d w j r c 【1 6 j ，面向智能汽车空间。 同时在“数字家电”领域，中国也产生了自己的标准“闪联”和e 家佳。 2 0 0 3 年7 月，由信息产业部科技司主导，以联想、t c l 、康佳、海信、长城5 家企 业发起、7 家单位共同参与的“信息设备资源共享协同服务”标准化工作组( 简称 i g r s 标准工作组) 正式成立【”j 。闪联( i n t e l l i g e n tg r o u p i n gr e s o u r c es h a r i n 舀即 i g r s ) 标准致力于打破“信息孤岛”，适用的范围是企业、公共场所、个人以及 家庭所涉及的信息设备互联时，遵循共同资源及功能服务接口标准，使设备能够 有效实现资源开放及服务协同，提高设备功能互操作性，并增强不同设备问组合 服务的功能【l8 1 。它主张让用户周围所有的这些信息终端动态而智能地组成一个 微型应用网络，利用闪联之间的有效互联，来构建未来的信息网格。 2 0 0 7 年初，闪联已经被批准为“建筑及居住区数字化技术”唯一国家标准， 并积极参与“国家数字化示范社区工程”。届时，闪联将联合这些企业和科研机 构，建立以i g r s 闪联智能互联标准为核心的数字家庭框架结构，包括高速多媒 体网络、低速控制网络、无线信息传输网络，并于安防控制、视频监控和移动通 讯技术紧密结合，为用户提供家庭网络整体解决方案。 家庭网络标准产业联盟i t o p h o m e ( e 家佳) 是由海尔集团、清华同方、中国 第l 章绪论 网通等七家公司发起组建。该联盟以家庭网络系统为中心，包括了电子、家电、 通讯、计算机、网络运营等多领域企业，共同探索家庭网络商业运作模式。目的 是将家庭内部通信、娱乐、电气控制、安防报警等功能融合在同一个家庭网络平 台中，实现数据交互、统一管理，通过网关实现与外部公众网络的数据交互业务。 去年，海尔集团在广交会上力推的以u h o m e 为主题的家电产品注重将信息 化的时代特点和消费者需求相结合，应用数字技术和网络技术，实现了家电的智 能控制，对所有家电产品预留了网络接口，添加网络模块后即可升级为网络家电。 上述的研究成果充分表明现有的技术已经能够实现环绕智能的基本框架，但 是在低功耗、低成本、高性能无线设备的硬件支持，网络连接环境的支持，人机 智能化方面还需进一步的研究。论文结合国内尚未普及家电直接上网的特点，采 用x i l i l l 】【公司新一代低成本s p a n a l l 3m b 作为硬件开发平台，在低成本方面有 了一定的改进。 1 2 课题的意义和来源 信息化和网络技术的发展为数字家庭网络提供了强有力的技术保障，使电子 信息和智能建筑经历巨大转型。2 0 世纪9 0 年代初，智慧屋( s m a n - h o m e ) 由美 国人第一次提出1 1 9 】。随后的几年，国内在智能家居方面的研究也在不断兴起。 但智能家居与环绕智能家居控制系统有着本质的区别。智能家居是指将家庭 中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连 接到一个家庭智能化系统上，以实现监视、控制和家庭事务型管理。而环绕智能 家居控制系统的优势在于按照用户的喜好为用户提供服务，更强调个性化。 论文通过计算机强大的数据处理、运算能力，并结合国内家电的特点，在环 绕智能领域的研究过程中提出创新的概念、方法及体系结构，为人们提供智能化、 透明化、个性化的服务，使人们的生活环境更加舒适、便利、高效、安全，从而 改进人们的生活方式、社会习惯等，进一步为我国在该领域的研究做出贡献。 我们实验室对环绕智能的研究在国内属于较早的研究机构之一，积累了一些 相关的研究成果，本课题来源于北京工业大学“十五”2 1 l 工程重点学科建设工 程子项目“环绕智能与嵌入式系统”( 项目编号：1 1 0 0 0 0 6 4 0 1 4 0 1 ) 。 1 3 论文的主要工作 环绕智能家居控制系统是环绕智能中的一个支撑子系统，面向人们的主要生 活场所。本文以家居控制系统的设计与实现为主，主要工作包括以下内容： 1 1 分析了m v 6 技术、b a c n c t 协议及t c p i p 协议，并针对当前家电标准及现 有的网络技术，选择了“隧道技术”实现通过口网络对家电设备的控制。 北京工业大学工学坝士学位论文 2 1 分析了各类开发平台的特点以及选用x i l i l l ) ( 系列开发平台的优势从而确定 软件的开发平台e d k 。进一步学习了e d k 的编程环境，为实现嵌入式的系 统编程奠定了基础。 3 ) 设计环绕智能家居控制系统的原型并完成了家居控制器的硬件电路设计及 p c b 实现，主要包括： 环绕智能家居控制系统体系结构的设计及各个工作模块的划分： 设计了家居控制器与家居控制中心及d d c 模块的软件接口： 对家居控制器的开发平台进行了硬件电路裁减； - 使用c a d e n c e 工具，采用高速p c b 设计技术对开发板进行裁减，降低系 统成本，从而实现整个系统的原型设计。 1 4 论文的结构 根据论文的研究内容和实现方式，论文的章节组织如下： 第1 章绪论介绍了本课题研究背景、课题的意义及来源、国内外研究现状、 主要研究内容及研究意义。 第2 章系统设计方法和设计工具，介绍了实现环绕智能家居控制系统所涉及 的理论基础，分析了相关标准和协议。并依据现有技术和条件确定了选择b a c n e t 及t c p i p 协议，采用“隧道技术”实现异构网络的互联。 第3 章家居控制系统总体设计方案，以环绕智能家居控制系统的应用场景为 起点，对系统进行了功能及性能需求分析，设计了系统的物理结构、逻辑结构。 对物理结构中的每个功能模块进行了详细地介绍，根据细化后的需求选择了硬件 开发平台，对开发的硬件环境进行了搭建。 第4 章家居控制系统集成，采用x i l i n xs p a n a i l 一3m b 作为硬件开发平台，实 现了基于i p 及b a c n c t 协议的异构网络的数据转换，设计了家居控制器与上、 下端的通信接口及消息协议，使用软硬件集成设计方法实现了系统的集成，总结 出应用程序所消耗的硬件资源，证明了选择s p a n a l l 3f p g a 的正确性。 第5 章家居控制器硬件硬件原理设计，详细介绍了对s p a r t a n 一3m b 开发板 裁减中硬件电路设计的具体问题。包括对处理器模块，存储模块，系统的调试接 口、对外接口，电源管理模块及时钟源模块进行了详细设计。 第6 章家居控制器p c b 设计，重点研究了p c b 设计过程中涉及到的工艺设 计、叠层设计、p c b 布局、布线等关键技术，并结合开发环境讨论了设计中遇 到的问题及相应的解决方法。最后，提出了对家居控制器的测试方案。 第7 章结束语，总结了论文完成的工作，分析了论文研究的局限性，提出了 进一步的研究目标。 第2 章系统设计方法和设计工具 第2 章系统设计方法和设计工具 2 1 系统设计实现使用工具介绍 设计中使用e d k 作为软件开发环境，实现应用程序在p c 机上的调试及与 开发板连接后程序的运行。使用c a d c ea l l e g r 0 完成系统中核心控制器的硬件 实现。 2 1 1 软件设计工具印k e d k ( e m b e d d e d d e v e l o 伽e l l t 飚t ) 是x i l i n 】【公司最新推出的f p g a 内部的 3 2 位嵌入式处理器开发工具。e d k 为设计者提供了一套丰富的设计工具和广泛 的标准外设的选择范围，进行基于m i c r o b l a z e 软核和m mp o w e r p c 4 0 5 硬核以 及v i n c x i i p r o 的嵌入式处理器系统的开发。e d k 中的嵌入式系统工具e s t 包括 处理器平台裁减、应用软件开发工具、功能完备的调试工具链以及设备驱动程序 和各种软件库，能够让开发者在设计应用中充分利用m i c m b i a z c 和n e x _ i ip r o 的强大性能。 在e d k 的集成开发环境) 口s ( x i l i l l ) 【p l a 响n i ls t i l d i o ) 中，以p o w e r p c 4 0 5 平台为例，进行f p g a 设计的主要步骤为： 1 ) 创建新工程。 2 ) 创建或导入m h s 文件，该文件描述了包括p o w e r p c 4 0 5 内核在内的整个平 台的f p g a 的硬件系统。 3 ) 选择“t o o l s 一) g c n e r a t en e t l i s t s ”，产生当前f p g a 硬件系统的网表文件和 约束文件。 4 ) 选择“o p t i o n s 一) e x p e n t op r o j n a v ，创建一个i s e 6 3 i 的工程文件。 5 ) 在i s e 6 3 i 系列软件中，完成包括p o w e r p c 4 0 5 内核在内的整个平台f p g a 的硬件系统设计。 6 ) 为p o w e r p c 4 0 5 内核的外围设备制定驱动程序 7 ) 为p o w e r p c 4 0 5 内核制定应用程序。 8 )选择“t o o l s _ 一) g e n e r a t el i b r a i e s ”和“t 0 0 l s 一) c o m p i l ep m g r 锄s o u r c e s ”， 编译应用程序和设备驱动程序。 9 ) 调用x y g 晰n 并生成目标文件。 2 1 2 硬件设计工具c a d e n c e c a d e n c e 公司是世界上最大的e d a 公司之一，p s d 和s p b 是其e d a 产品的一 部分，具有功能强大、性能卓越等特点。本系统p c b 设计实现所采用的a l l e g r o s p b l 5 5 对p c b 板级的电路系统设计流程包括原理图输入，数字、模拟及混合 电路仿真，自动布局、布线，印刷电路板图及生产制造数据输出，以及针对高速 p c b 板电路的信号完整性分析等，从前到后提供了完整的输入、分析、版图编 辑和制造的全线e d a 辅助设计工具。 系统p c b 设计、实现所用的功能模块有： 1 )p r o j e c tm a l l a g e r d e s i g ne i n r yh d l 的项目管理器。 2 ) d e s i g ne n 蚵h d l 原理图设计输入工具：提供了传统的平面设计方法和 先进的分层次的设计方法，设计者可以根据自己的需要选择合适的设计流程 和方法。例如：分层次设计、模块化设计等。同时该工具带有规则检查工具 d e s i g ne n t r yh d lr u l e sc h e c k e r ，根据设定的规则随时检查原理图的正 确性，并对出现错误的地方进行标记。 3 )l i b r a r ye x p l o e r 包括p a r td e v e l o p e r 和l i b r a r ye x p l o e r 两个功能，进行数 字设计库的管理，可以调用建立元件符号和模型的工具，如：p a nt a b l e e d i t o r 。 4 ) p c b e d i t o r 一包括a l l e g r o p c b d e s i g l l 6 l o ：针对高速、高密度p c b 设计的 完整高性能设计工具，提供交互式、高速、约束驱动的设计环境，可以实现 复杂、多层电路板图的创建和编辑，可以方便地输出生产数据。 5 ) p c bl i b r a r i a n a l l e g r o 库开发，包括焊盘、自定义焊盘s h 印e 、封装符号、 机械符号、f o m a t 符合f l a s h 符号的开发。 6 ) p c bs 卜一建立数字p c b 系统和集成电路封装设计的集成高速设计和分析 环境，能够解决电器性能的相关问题，包括时序、信号完整性、串扰、电源 完整性和e m i 。 7 ) s i g x p l o r e l 。，s i g w a v e 一网络拓扑的提取和仿真。 8 ) c o i l s t r a i n tm 柚a g e r 一约束管理器，提供了基于电子数据表格式的约束信 息，具有实时显示高速规则和状态的功能，并且可以在设计流程的任意阶段 调用它。 整个设计流程为： 1 ) 原理图的设计：设计者根据设计要求用d e s i g n e n t 】了h d l 绘制电路原理图； 2 ) 创建网络表( 打包设计p h y s i c a le x p o n ) ：绘制好的原理图经检查无误后，使 用p h y s i c a le x p o n 将网络表发往a 1 1 e g r o ； 3 ) 建立元器件封装库：自己动手创建元件封装，并将其存放在制定目录下； 4 ) 创建机械设计图：设置印刷电路板外框及高度限制等相关信息； 第2 章系统设计方法和杖计工具 5 ) 读取原理图的网络表：将创建好的网络表导入a l l e g r 0 ，取得元件的信息； 6 ) 摆放机械图和元件； 7 ) 设置电路板的层面：对于多层的印刷电路板，需要添加电路板的层面； 8 ) 进行布线； 9 ) 放置测试点：目的是检查该电路板能否正常工作； 1 0 ) 文字面的处理：对整个电路图的元件序号进行重新排列，使电路图清晰易懂； 1 1 ) 底片处理：设计者必须设置每一张底片是由哪些设计层面组合而成的，再将 底片的内容输出至文件，再将这些文件送至电路板生产车间制作电路板； 1 2 ) 报表处理：产生该电路板的相关报表，以提供给后续的工厂工作人员必要的 信息。用图表示即为： 图2 1c a d c l l c e p c b 设计流程 f i g u r e2 ld e s i g nn o wo f p c bi nc a d e n 2 2 软硬件协同设计 2 2 1 软硬件协同设计涉及的内容 软、硬件的协同设计技术【2 0 吨”，主要是面向不同目标系统的软件和硬件的 功能划分理论( f 吼c t i o m lp a n i t i o nn l e o r y ) 和设计空间搜索技术。 软硬件协同设计主要涉及到以下内容：系统描述、设计空间搜索( d s e ) 、 资源使用最优化的评估方法、软硬件划分理论、软硬件详细设计、硬件综合和软 件编译、代码优化、软硬件协同仿真和验证等几个方面，以及同系统设计相关的 低压、低功耗、多布线层数、高总线时钟频率、i 0 引脚布线等相关内容。 1 ) 系统描述方法：解决系统的统一描述。这种描述应当是对软硬件通用的， 目前一般采用系统描述语言的方式。在软硬件划分后，能编译并映射成为硬件描 述语言和软件实现语言，为目标系统的软硬件协同工作提供强有力的保证。 2 ) 设计空间搜索提供了一种实现不同设计方式、理解目标系统的机制，设 计出不同的软硬件体系结构，使最优化的设计实现成为可能。 3 ) 最优化的评估方法：解决软硬件的计量和评估指标，从而能够对不同的 设计进行资源占用评估，并进而选出最优化的设计。 4 ) 软硬件划分：嵌入式系统一般都是软硬件结合的系统。硬件比软件提供 更好的性能，而软件更容易开发和修改，因此成本较低，开发时间较短。因此软 硬件划分的基本原则是高速、低功耗由硬件实现：多品种、小批量由软件实现； 处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。划分的方法从两方面着手： 一是面向软件，从软件到硬件满足时序要求；二是面向硬件，从硬件到软件降低 成本。在划分时，要考虑划分问题的复杂度、目标体系结构、应用领域、粒度、 软硬件实现所占用的成本等各种因素。划分完后，产生软硬件分割界面，供软硬 件沟通、验证和测试使用。 5 ) 软硬件协同综合：软硬件详细设计完成划分后的软件和硬件的设计实现。 硬件综合是在厂家综合库的支持下，完成行为级、r t l 以及逻辑级的综合。代码 优化完成对设计实现后的系统进行优化，主要是与处理器相关的优化和与处理器 无关的优化。与处理器相关的优化受不同的处理器类型影响很大，一般根据处理 器进行代码选择、主要是指令的选择；指令的调度( 并行、流水线等) 、寄存器的 分配策略等：与处理器无关的优化主要有常量优化、变量优化和代换、表达式优 化、消除无用变量、控制流优化和循环内优化等。 6 ) 软硬件协同仿真和验证完成设计好的系统的仿真和验证，保证目标系统 的功能实现、满足性能要求和限制条件，从整体上验证整个系统。 第2 章系统设计方法和设计工具 软硬件协同验证技术的提出是因为必须把软件的执行与硬件的模拟联系起 来，同时协同模拟软件和硬件，软件的集成于调试可以在设计循环早期开始，没 有必要等到硬件原型被建立起来。主要是在设计早期，就建立一个虚拟样机系统。 在系统级，在硬件还没有实现之前就能进行软件和硬件的集成。 2 2 2 软硬件协同设计的系统结构 软硬件协同设计在实际应用中表现为软硬件协同设计平台的开发。如图2 2 所示为软硬件协同设计平台的组成。其中设计空间搜索部分由体系结构库、设计 库、成本库、系统描述和系统设计约束条件组成。体系结构库是存放协同设计支 持的各种体系结构数据库，一般是通过不同的模型表现出来的，如状态转换模型、 事件驱动模型、数据流程模型和混合模型等。设计库中包含可以使用的程序或网 表的设计执行数据库，为新的设计提供参考依据。成本库中提供设计成本的计算 方法以及由目标系统的资源消耗、电源消耗、芯片面积、实时要求等组成的数据 库，是工作在给定平台上的明确界定。设计评估主要有评估目标系统的成本、性 能、正确性等。经过评估后的设计可以进行软硬件划分，产生硬件描述、软件描 述和软硬件界面描述三个部分，以及各个部分的具体实现并优化。最后进行硬件 综合、软硬件集成和系统仿真和测试。 2 2 3 软硬件协同设计的流程 软硬件协同设计流程从目标系统构思开始，整个设计流程如图2 3 所示。其 中软硬件划分后产生硬件部分、软件部分和软硬件接口界面三个部分。硬件部分 遵循硬件描述、硬件综合与配置、生成硬件组建和配置模块；软件部分遵循软件 描述、软件生成和参数化的步骤，生成软件模块。最后把生成的软硬件模块和软 硬件界面集成，并进行软硬件协同仿真，以进行系统评估和设计验证。 图2 2 软硬件协同设计平台的组成 f i g u r e2 - 2c o m p o s i n go fh r d w 利s o f t 、v 撇c o d e s i g np l a t f o 加 - 1 0 第2 章系统设计方法和设计工具 图2 3 软硬件协同设计流程 f i g t l r c2 - 3d e s i g nn o wo f h a r d 、 忸f c s o f “v a r ec o - d e s i g n 2 2 4 软硬件协同设计的优势 软硬件协同设计支持并行工程以减少设计周期，采用设计自动或半自动化技 术以及集成可靠的软硬件组建的方法可以提高设计质量；用验证测评技术及早发 现设计错误。本文中采用软硬件协同设计作为整个系统设计的指导思想。 2 3i p v 6 协议 i p v 6 的全称是“互联网协议第6 版”，目前的i p v 4 的地址是3 2 位编码。口v 6 的地址是1 2 8 位编码，能产生2 也8 个职地址，其资源几乎是无穷的。m 地址将 可充分满足数字化生活的需要，不再需要地址的转换，还互联网本来的面目。更 重要的是，将提供更安全，更为广阔的应用与服务。 2 3 1i p v 6 优势 相对于i p v 4 ，i p v 6 有如下一些显著的优势： 1 ) 地址容量大大扩展，彻底解决i p v 4 地址不足的问题；支持分层地址结构， 从而更易于寻址；扩展支持组播和任意播地址，这使得数据包可以发送给任 何一个或一组节点； 2 ) 大容量的地址空间能够真正的实现无状态地址自动配置，使i p v 6 终端能够 快速连接到网络上，无需人工配置，实现了真正的即插即用； 3 ) 报头格式大大简化，从而有效减少路由器或交换机对报头的处理开销，这对 设计硬件报头处理的路由器或交换机十分有利； 4 ) 加强了对扩展报头和选项部分的支持，这除了让转发更为有效外，还对将来 网络加载新的应用提供了充分的支持： 5 ) 流标签的使用让我们可以为数据包所属类型提供个性化的网络服务，并有效 保障相关业务的服务质量： 6 ) 认证与私密性：i p v 6 把i p s e c 作为必备协议，保证了网络层端到端通信的完 整性和机密性； 7 ) i p v 6 在移动网络和实时通信方面有很多改进。特别地，不像i p v 4 ，i p v 6 具 备强大的自动配置能力从而简化了移动主机和局域网的系统管理。 2 3 2i p v 6 报文结构 i p v 6 数据包有一个i p v 6 报头、多个扩展报头和一个上层协议数据单元组成。i p v 6 数据包的结构如图2 4 所示： i p v 6 报头i扩展报头i上层协议数据单元 图2 4i p “数据包结构 f i g u r e2 4d a t ag t n l a h l r eo f i p v 6 每个口v 6 数据包都必须包含报头，其长度固定为4 0 字节，i p v 6 报头的具体内容 如下： 第2 章系统设计方法和设计工具 f 版本i 传输类别数据流标签i 有效数据长度 i 下一个首部i跳数限制i l源地址l j目的地址 图2 5i p v 6 报文头 f i g u r e2 5l p v 6m e s s a g eh e a d i p v 6 扩展报头是跟在基本报头后面的可选报头，口v 6 数据包可以包含一个 或多个扩展报头，当然也可以没有扩展报头，这些报头可以具有不同的长度，因 此中间路由器就不需要处理每一个可能出现的选项，从而提高了路由器处理数据 包的速度，也提高了其转发性能。下面是一些扩展报头： 一 逐跳选项报头( h d p - b y h 0 po p t i o l l sh e a d c r ) 一 目标选项报头( d e s t i n a t i o no p t i o n sh e a d c r ) 路由报头( r o 删n g h e a d e r ) 分段报头( f r a 鲫e mh e a d c r ) 认证报头( a u m e n t i c a t i o nh e a d c r ) 一 封装安全有效载荷报头( e n c a p s u l a t i n gs e c 嘶t yp a y l o a dh e a d c r ) 在典型的i p v 6 数据包中，并不是每一个数据包都包括所有的扩展报头。在 中间路由器或目标需要一些特殊处理时，发送主机才会添加相应扩展报头。 综合以上信息，可以得出结论，使用i p v 6 作为网络传输协议是未来网络发 展的趋势。 2 4b a c n e t 协议 当前家庭环境中的家电设备多种多样，设备的信息处理能力和设备之间网络 通信带宽差别很大。家电设备之间如何进行资源共享和控制集成，是环绕智能系 统实现时必须解决的问题。 2 4 1 家庭总线协议的选择 随着家庭、楼宇自动化技术的发展，2 0 世纪9 0 年代以来，诞生了众多面向家 庭网络的通信协议。国际上些应用较为广泛并且相对成熟的家庭总线技术，如 x 1 0 、c e b u s 、e i b 、h b s ( h o m eb l l ss y s t c m ) 、b a c n e t 等【2 2 2 4 l 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 x - 1 0 是对电子设备进行远程控制的通信协议，适用于x 1 0 发送器和接收 器之间，但发送器与接收器之间只能传送一些简单的命令，许多设备问只能进行 单向通信，没有反馈机制，另外通信媒体单一、传输效率低，开放性、兼容性差 等缺陷。 2 c e b u s 标准是消费类电子产品总线( c o n s u m e r e l e c 仰l l i c sb u s ) 的缩写， 是由美国电气工业协会( e i a ) 的消费电子小组开始制定在家庭中使用的消费产 品的网络通讯标准。c e b u s 是点对点网络，不需要系统控制器。它定义了7 种物 理媒介( 电力线、双绞线、红外线、无线电、电缆、光纤和音、视频总线) 以及 几乎所有传送媒体中信号的传输标准，任何符合c e b u s 标准的电器产品都可以直 接互联及通信。但由于c e b u s 接口技术比较复杂，价钱亦非常昂贵，因此用户相 对较少。 3 e i b 欧洲安装总线( e u r o p e a i li n s t a l l a t i o nb u s ) 是一个在欧洲占主导地位 的楼宇自动化和家庭自动化标准，是由s i e m e n s 、a b b 等一些知名企业首先提出 的。采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线等丰富的通讯介质，其中应用较为广 泛的是双绞线和电力线。使用双绞线时，每个物理段可长达l o o o m ，传输速率为 7 6 k b p s ；使用电力线时，最大传输距离为6 0 0 m 。e i b 网络也是一个完全对等 ( p e e r t o p e e r ) 的分布式网络，网络上的每个设备具有相等的地位。 4 h b s ( h o m e b u ss y s t e m ) 【2 5 l 是由日本电子工业联合会无线工程电子协 会船s 标准委员会于1 9 9 7 年制定的，得到了日本政府和商会的支持。h b s 以双绞 线和同轴电缆为通讯介质，介质的最大长度为2 0 0 m 。h b s 有控制通道和信息通 道之分，分别用于低速数据和高速数据的传输。h b s 对o s i 七层模型作了精简， 有三层结构组成，分别为物理层、数据链路层和网络层。协议规定了如何通过双 绞线或同轴电缆将家庭设备、电话、音频视频装置连接达到控制目的；以及如 何在家庭内获得远程服务，如在家购物、远程医疗和远程教学等。h b s 主要用于 照明和安防，协议比较简单【2 “。但是，h b s 不支持电力线和无线传输，并且传输 速率仅为9 6 k b p s ，这些不足限制了它的使用范围。 5 b a c n e t 通信协议是以o s i r m 标准( 0 s i r m 是为异构结构计算机互联提 供的一个标准框架和基础) 为基本原则制定的楼宇自控网络数据通信协议【2 刀。 该协议已成为美国国家标准( a n s i a s h 墟1 3 5 1 9 9 5 ) ，并在2 0 0 3 年成为国际 标准( i s o1 6 4 8 4 5 ) 。 根据自身的应用环境，b a c n e t 协议对0 s i 州标准作了精简和定制，如图2 6 所示： b a c n e t 协议的层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s o8 8 0 2 - 2m s ，r p m ( 点对点协 ( 1 e e e8 0 2 2 ) 类型l ( 主从，令牌传递) 议) l m i t a ( i e e ea r c n e t e i a _ 4 8 5e i a 2 3 2 l k ( r s 4 8 5 )( r s 2 3 2 ) 8 。2 3 ) 对应i s o 的层次 应用层 网络层 数据链路层 物理层 图2 - 6b a c n e t 体系结构与o s i - r m 的参照图 f i g u r e2 6c o m p a r i n gb a c n e ta r c h i t e c h t u r ew n ho s i - r m 从图上可以看出，b a c n e t 标准采用了4 层结构：应用层、网络层、数据链路 层、物理层。其中数据链路层和物理层，提供了五种选择方案，在附件j b a c n e 以p 中加入了对i p 的支持。b a c