【毕业学位论文】（Word原稿）智能嵌入式系统在电梯中的应用研究-软件工程

南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 I 摘 要 将智能化技术应用到嵌入式系统中是当前研究的热点。本文首先介绍了嵌入式系统及其应用，然后从系统的需求特别是智能化需求分析入手，提出了系统的总体结构。分析了系统的三个组成部分：电梯协议转换卡、嵌入式语音播放器、上层语音管理软件。最后，给出了系统软硬件调试时遇到的问题及其解决的方法。 电梯系统的信号多种多样，使得对电梯系统信号的识别也变得复杂。本文提出了将电梯信号知识分类的方法，运用了产生式规则，建立了产生式规则知识库。具体实施时，针对特定的电梯系统，引入了系统自学习机制，方便了系统的安装。 针对不同的 电梯系统，可通过串口、并口采集信号且实现了高速串行通讯模块。具有接口类型可选择，通讯速率可满足高速要求的功能。结合嵌入式系统与电梯系统的特点，融合先进的 术和存储器技术，使用 换器、功放放大器，具有语音可定制、语音容量小、语种可选择、音质清晰的特点。同时，为用户提供了友好的管理界面，简单、易学。 本文设计的嵌入式电梯自动语音报站系统具有可靠性、低成本、低功耗、通用性的特点，经简单的改造，可以用于其他相关领域中。该系统已经在北京北方东阳电梯有限公司等投入使用，效果良好。 关键词 ：嵌入式，智能化， 知识库， 语音 t is a to of of of up it of to of of of to of of In to is of to of or be be of By of P3 A it of At it a to of It be to is 京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 录 摘 要 . I . 录 . 题目的和意义 . 1 际国内研究情况和进展 . 1 2 系统的智能化分析 . 4 识及其表示 . 4 辑表示法 . 5 义网络表示法 . 6 生式规则表示法 . 7 识的获取 . 7 识获取的基本过程 . 8 识获取的主要手段 . 9 梯信号知识及其分类 . 10 生式规则 知识库 . 11 识库的定义 . 11 生式系统 的结构 . 11 生式系统的优缺点 . 12 生式系统的知识表示 . 12 生式系统的存储 . 13 统推理算法及实施 . 13 统的推理过程 . 14 统的推理方向 . 15 统的推理算法 . 15 统的推理实施 . 16 例分析 . 16 3 系统总体设计 . 17 统总体结构 . 17 梯协议转换卡器件选择 . 18 片机的选择 . 18 电梯系统的通讯接口选择 . 19 入式语音播放器器件选择 . 19 片机的选择 . 19 储器的选择 . 19 码器的选择 . 20 模 转换器的选择 . 23 音频放大器的选择 . 24 层语音管理软件的平台选择 . 24 4 电梯协议转换卡设计 . 24 梯协议转换卡硬件设计 . 25 速串行通讯硬件设计 . 25 V 5V 的电平转换 . 25 体振荡频率的选择 . 26 口电路设计 . 27 口电路设计 . 27 梯协议转换卡软件设计 . 28 程序流程图 . 28 速串行通讯软件设计 . 29 口软件设计 . 31 梯协议的分析 . 31 5 嵌入式语音播放器设计 . 32 入式语音播放器硬件设计 . 32 片机 部分 . 33 码器部分 . 34 储器部分 . 38 模转换器部分 . 39 频放大器部分 . 41 入式语音播放器软件设计 . 41 程序流程框图 . 41 件资源划分 . 43 码器的操作 . 43 件的存储操作 . 45 讯协议 . 46 6 上层语音管理软件设计 . 47 层语音管理软件模块划分 . 47 口模块的设计 . 48 讯协议模块的设计 . 48 示模块的设计 . 48 数设置模块的设计 . 50 7 系统软硬件调试 . 50 口调试部分 . 50 试部分 . 51 储器部分的调试 . 51 调试 . 52 播放声音期间不能写入程序 . 52 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 V 放的声音不连续 . 52 据放在 播放调试 . 54 总 结 . 56 致 谢 . 57 参考文献 . 58 附录 . 60 附录 A 在校期间发表的论文 . 60 附录 B 嵌入式语音播放器外观图 . 60 附录 C 电梯协议转换卡外观图 . 60 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 1 1 绪论 题目的和意义 随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微控制器技术的出现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。由嵌入式微控制器组成的系统，最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。 嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功 能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统 2。 嵌入式系统的应用之一是嵌入式电梯自动语音报站系统。 电梯是高层建筑的重要机电设备。现代化智能大厦不仅要求电梯能够安全平稳地将乘客送达目的地，而且应该能够预报层站、插播宣传语及特定层站说明语 。 而 电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯信号的输出接口也多种多样 ，包括串口（又分为 口、 口）、并口和专用接口等 。 本文 的目的就是研究如何将智能化技术应用到嵌入式系统中， 解决不同电梯型号和电梯信号多样型所带来的问题，在满足嵌入式系统的约束性条件下，设计出 通用的嵌入式电梯自动语音报站系统。 际国内研究情况和进展 随着微电子技术的不断创新和发展，嵌入式系统，作为计算机应用的一个重要领域，已深入到社会的各个方面，越来越为人们所关注。嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统。对用户而言，此类计算机一般不被设备使用者在意，典型的有微控制器、微处理器和 嵌入式处理器使宿主设备功能智能化、设计灵活和操作简单， 它 们小到移动电话、 ，大致飞机导航系统，这些设备功能各异，千差万别，但都具有功能强、实时性强、结构紧凑、可靠性高和面向对象等共同特点。广义而言，嵌入式系统是指作为某种技术过程的核心处理环节，能直接与现实环境接口或交互的信息处理系统。确切地说，在这种应用环境中，信息处理系统处于嵌入式工作状态，即实时就绪与环境互动，即实时工作方式，其典型例子如 入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制器或单片机 及嵌入式软件组成。 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理 2 器的品种总量已经超过 1000 多种，流行体系结构有 30 几个系列，其中 8051 体系的占有多半。生产 8051单片机的半导体厂家有 20多个，共 350多种衍生产品，仅 00种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从 646000用封装从 8个引脚到 144个引脚。和工业控制计算机相比，嵌入式 微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括 线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差 2。 嵌入式处理器目前主要有 C、 68000、 系列。嵌入式操作系统一般装在处理器的内存中，是嵌入式系统中极为重要的组成部分是嵌入式应用软件的基础和开发平台，为信息服务商提供新的信息平台，为信息运营商扩充用户群。 嵌入式操作系统可分为如下几个层次 2：与硬件相关的底层软件、操作系统核心、图形界面、通信协议、标准化浏览器以 及应用软件。嵌入式 时操作系统 )是一段嵌入在目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建立在嵌入式 入式 断、 I/0、定时器等资源都包装起来留给用户一个标准的 用程序接口 )，并根据各个任务的优先级，合理地在不同的任务之间分配 间。在嵌入式 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数，和通用性的应用程序在一起，可以作为产品销售，处境行业内的知识产权交流。因此嵌入式 是一个软件开发平 台。目前比较流行的实时多任务操作系统有 3S、微软 E、S/ 2。 以上是有关嵌入式系统的概述。嵌入式系统的核心在嵌入式处理器。本课题所选用的处理器是美国德州仪器公司 (几年开发的新一代单片机， 列单片机是该单片机在设计上打破常规采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗、多种功能。由于其功能远远超过其他系列单片机的功能因而又称之为混合型单片机。 片机带有丰富的片 上外围模块 (包括 12 位 A/D 转换器、串行通讯接口、 块及多种时钟模块 )，特别适合应用在智能仪表、防盗系统、智能化家电、电池供电的便携式设备等产品中。 这种高集成度使应用人员不必在接口、外接 I/可以方便的设计真正意义上的单片系统。 片内存储器有 C 型 )、 型 )、 型 )、 型 )4种型号，采用冯诺伊曼结构，因此， 17。基于 十分方便的开发调试环境，片内有 试接口，只需要一台 和一个 试器即可进行开发。开发语言有 C 语言和汇编语言。这也是本课题选南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 3 择 嵌入式电梯自动语音报站系统的信号采集部分，是许多设计者必须考虑和 解决的一个问题。首先，应该对电梯系统的 控制结构有所了解。电梯系统一般采用的是主从式的总线结构，控制机是主，各个楼层的分站机是从，主从机都有地址，大多以 了满足系统的响应及时性，系统的通讯速率比较的高，有的达到 1有的电梯公司，如 司的 速的通讯速率必然对系统处理速度、响应时间、可靠性、抗干扰性提出更高的要求。同时，电梯主控制机的提供者，处于商业机密的考虑不会提供电梯系统的通讯协议。在能够正确接收电梯数据的前提下，如何识别数据的含义，提取电梯语音报站系统所需的有用信息，是摆在系统设计者面前的首要问题。如前所述，有两种途径来解决。其一是，购买电梯的信号采集卡，采集卡取得电梯数据，输出一定规则的电梯信号，采集卡实际上是一个协议的转换器。采集卡的 价格也不菲，使用采集卡，大大简化了电梯信号的采集难度，但也增加了系统的成本。其二是，通过一定的技术和方法，来分析电梯在各个状态下的数据及其对应的含义找到数据的变化规律，逐步确定电梯系统的通讯规则。这必须经过多次的数据采集，分析比较，综合归纳和反复的试验等。破解电梯的通讯协议难度比较的大，但受益也大，系统的成本大大下降。如果破译协议成功，可以自己做一个功能类似的采集卡，其输出数据的格式与所购买的采集卡相一致，增加了系统的灵活性。 本系统的核心是嵌入式的语音报站器。语音报站器的芯片种类很多，有的芯片集成度高、功 能齐全。例如 有可多次重复录放、存储时间长、使用时不需扩充存储器、所需外围电路简单等特点。再如 音低、不怕断电、可反复录放的新型语音芯片，单片可录制 60 秒，串行控制时可分 256 段，并行控制最大可分 8段。 由于本系统的核心是嵌入式语音报站器，不可避免的要接触到一些有关音频方面的概念。了解音频知识对于设计系统有很大的帮助。下面说明 有关音频编码的概念。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常采用的是脉冲代码调制编码，即 化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。采 样率和采样大小（位 / 有损和无损、频率与采样率的关系等是一些比较常见也是容易混淆的概念。流特征是 随着网络的发展，人们对在线收听音乐提出了要求，因此也要求音频文件能够一边读一边播放，而不需要把这个文件全部读出后然后回放，这样就可以做到不用下载就可以实现收听了。也可以做到一边编码一边播放，正是这种特征，可以实现在线的直播，架设自己的数字广播电台成为了现实。 嵌入式电梯自动语音报站系统是嵌入式系统的一个应用领域，既有硬件电 路技术、软件设计技术，又有通讯协议的设计；既涉及到音频技术，又涉及到大容量的存 4 储技术。系统的各个主要组成部分既要有功能的完整性又要不失灵活性，在选择单片机、功能器件、通讯接口上也要全面的考虑。电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯信号的输出接口也多种多样，解决的方式是引入智能化的技术，包括本文运用的产生式规则，建立了产生式规则知识库。具体实施时，针对特定的电梯系统，引入系统自学习机制，方便系统的安装。 相信智能嵌入式系统在电梯中的应用将为电梯等系统的语音报站提供解决问题的一个途径，语音报站技术的应用面将更为广阔 。 2 系统的智能化分析 智能是指在求解问题时从巨大的解空间中迅速找到合适解的能力 1。一个系统 之所以能在求解问题的过程中体现出高水平的智能理解和智能行为，主要是由于它能够利用专业领域的概念、事实、方法、模型以及领域的启发性知识。知识原理强调只有小部分知识能被一般化，而且有通用性。因此，在求解问题时，仅仅有通用性的方法是远远不够的。事实上，如果只获取通用的方法。那么在求解问题时，会因为缺乏足够的限制，而无法有效控制求解 的范围。知识的数量占解空间的大小之间存在着反比例的关系，一般说来 拥有的领域知识愈多，则搜 索的解空间愈小 1。 一般说来系统拥有的知识愈多，则解决问题的能力亦就愈强。知识量的 多少可以粗略地用以下三个知识阀值来衡量。 知识的形式化阀值：求解一个问题所需要的最少知识量。知识的胜任阀值：系统具有的知识量足以解决某领域、某范围的大部分问题，那么知识的这一数量，称作胜任阀值。 知识的专家阀值：系统所具有的知识能处理领域中所有异常情况，这时系统 的知识量达到了专家阀值 1。 电梯系统的多样性和复杂性，使得电梯信号的输出接口也多种多样。在开发研制嵌入式电梯自动语音报站系统时，碰到了不少问题，其中电梯信号知识的表 示、获取和维护是比较重要的问题。要 开发一种可适用于大多数型号电梯的、自动播放的嵌入式电梯自动语音报站系统就必须总结电梯信号接口的相似性、互异性，找出其规律，采取适当的方法加以解决。本章 提出了将电梯信号知识分类的方法，运用了产生式规则，建立了产生式规则知识库。具体实施时，针对特定的电梯系统，引入了系统自学习机制，方便了系统的安装。 识及其表示 知识表示是现在 识表示的 技术和理论经历了快速的变化和发展。对于什么是知识以及知识表示等形成了众多理论，产生了知识处理学。南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 5 知识库系统主 要处理的就是知识，知识具有不 同的表现形式，分别适合于表现不同领域的知识。知识表示的选择在很大程度上影响知识库的效率。 什么是知识？从认识论的角度来看，知识是人类知识自然界（包括社会和人）的精神产物，是人类进行智能活动的基础 13。计算机所处理的知识，按其作用可大致分为三类 13： 描述性知识，表示对象及概念的特征及其相互关系的知识，以及问题求解状况的知识，也称为事实性知识。 判断性知识，表示与相关领域有关的问题求解知识如推理规则等，也称为启发性知识。 过程性知识，表示问题求解的控制策略，即如何应用判断性 知识进行推理的知识。 知识表示是对智能进行模拟的一个数学模型，然而它可以不是一个对智能本 质的描述，特别是传统的符号主义知识表示离揭示人的智能行为发生的内在过程还有很大的差距。在神经科学和心理学的指导下，通过对智能行为的生理基础和 心理过程的研究，遵循“解释智能”的思想，可以得到对知识的心智表示的新认识。这种表示观的不同，预示着人工智能方法论上的进步。人工智能与计算技术的结合产生了所谓“知识处理”的新课题。即要求计算机来模拟人脑的功能，以知识和智能来解决各种问题，回答各种询问、或从已有 的知识来推演新知识等等。 知识的表示与知识的获取及知识的运用一起，称为知识处理学的三大课题。 而且一般认为知识表示处于其中心地位。因为一方面获取的知识必须表示成某种形式，否则就无从记录下知识；另一方面显然没有表示也就根本谈不上运用知识。不但能否把知识表示出来对知识的处理是如此至关重要，而且知识表示的好坏对知识处理的效率和应用范围影响很大，对知识获取和学习机制的研究也有直接的 影响。所以，知识表示问题向来就是知识处理中最热门的研究课题之一。而且往往把知识表示与知识的运用结合起来研究，以求知识处理的最佳效果。 为了便于知识管理和推理分析，一 般要求所表达的知识简单、明了、易于理解，并能对知识进行方便、灵活的扩充。知识表示的方法有多种，各种表达方式的能力和特点有一定的差异。 迄今， 辑表示法 这里所说的逻辑系指一阶谓词逻辑。逻辑表示法是最早使用的一种知识表示方法，它具有简单、自然、精确、灵活、模块化的优点。逻辑表示法的推理系统采用归结原理，这种推理方法严格、完备、通用，在自动定理证明等应用取得了成功。 谓 词逻辑是使用量词和逻辑连接符做出有关对象、特征、场景和关系的陈述的。 6 例 如 : 它表示盒子在桌子上。其中 子）和 子）是常量，表示个体。 上 ） 是谓词，表示 如所有的大象都是灰色的可表示为： X( x) x， )。 对于一阶 谓词逻辑表示方法，主要有以下优点。 (1)一阶谓词逻辑建筑在扎实的数学基础上，所以其具有严密的科学性。 (2)用一阶谓词表示求解问题的所需的知识符合人类对问题的直觉理解，易于自然表达。 (3)一阶谓词具有完备的逻辑推理算法，所 以大部分的知识均可以用一阶谓词逻辑来表达。 (4)谓词逻辑与关系数据库具有密切的联系。在关系数据库中的逻辑代数表达式是逻辑表达式形式之一，所以很容易把关系数据库改造为演绎知识库。 一阶谓词有一下几个不足 1： (1)一阶谓词逻辑不允许量词作用于谓词和函数，这限制了它表达和处理知识的能力。 (2)一阶谓词逻辑只能表达描述性的知识，而不能表达过程性的知识。 (3)在求解较大型的问题过程中，由于知识的组合爆炸使知识处理效率低下，所以一阶谓词不适合组织大型知识库。 义网络表示法 语义网络是通过包含结点和边 (连接结点之间的弧 )的有向图来描述对象、事 件、概念以及动作的方法，由于它很自然，所以在人工智能中获得广泛应用。 例如，图 的椅子” (一个语义网络 节点“ 以上的部分表示“我的椅子是一个椅子 ” , “椅子是一种家具 ” , “座部是椅子的一部分 ” 以左的部分表示“我的椅子的所有者是我 ” , “我是一个人 ” 结点“ 以右的部分 表示“我的椅子的覆盖物是皮革”。图中“ “ 是语义网络中常用的关系。“ 示某一个体是某一集合的元素。“ 是 示一个集合是另一个集合的子集合，如“椅子是一个家具”。 E 表示“椅子”的语义网络 南京理工大学硕士学位论文 智能嵌入式系统在电梯中的应用研究 7 一个有向图将对象自然地联系在关系当中，因而语义网络可用在很复杂的分 类学推理领域中以及那些需要表示对象、事件、场景及行为的特 性及它们之间关 系的领域中。在语义网络中，程序可以从感兴趣的任何结点出发，沿着弧到达相关联的结 点，还可继续沿弧到达更远的结点，这种方法非常自然，类似于人类的联想记忆。但是，鉴于每个结点连接多条弧，当我们从开始结点出发后，如果没有很好的组 织和强有力的搜索规则指引，就会容易陷入无穷支路而无解。 生式规则表示法 产生式规则把知识表示成“模式动作 ” 对，表示方式自然、简洁。它的推理机制以演绎推理为基础，推理系统也称为产生式系统。产生式系统是一个基于产生式规则表示知识的知识库系统。产生式规则概念由波斯特 ( 1943年提出，后由尼维尔 (西蒙 ( 1972年