一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台及方法技术

本公开提供了一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台和方法，平台基于Xilinx FPGA SoC，采用软硬件协同、硬件模块化及软件模块化设计思路，通过硬件可重构技术，在一个通用硬件平台上可实现对视、听、触、嗅、味等多参量物理信号的高速、并行、实时采集与处理；高集成度、一体化平台，在一个平台上可实现传感器驱动、传感信号采集、处理、存储、传输及执行机构控制等多种功能；通用平台采用低功耗设计技术，将工作镜像中未使用到的硬件及软件功能模块屏蔽；采用多镜像不断电切换工作机制，在一个通用硬件平台上实现对类人五感信号的感知。知。知。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台及方法
[0001]
：本公开涉及智能感知的
，尤其涉及一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台及方法。

技术介绍

[0002]经过三次科技革命的发展，人类社会已进入到第4次科技革命——人工智能科技革命时代。人工智能的高速发展，已成为新一轮产业变革的重要驱动力。
[0003]各种智能感知设备是人工智能的基石。然而，传统的感知设备功能单一、体积庞大、能耗高，已难以满足人们对感知设备集成化、小型化、智能化的需求。
[0004]现代微机电技术和半导体技术的高速发展，使得多参量感知设备的实现成为可能。在人工智能时代，前端传感器研发人员正发力各种新型传感器的研发，新型传感器向多功能集成化、小型化、智能化方向发展。
[0005]然而，当前新型传感器研发人员面临的普遍问题是：（1）在新型传感器研发出来后，需要为后续传感器的各项测试搭建庞大、复杂、昂贵的测试平台；（2）购买商业测试测量仪表进行信号采集与分析，并不能很好地适配本地化需求，且测试平台占地空间大、移动不便，使用友善性、便携性、功能集成化等都有待完善。
[0006]
技术实现思路
：本专利技术的目的是，针对前端传感器研发人员在搭建传感器测试分析平台时的各种不便性，提供了一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台及方法，其特点是该平台采用基于FPGA的软硬件协同技术，在一个通用平台上实现了对多参量信号的感知。平台根据研究人员具体需求可适配为视觉/听觉/触觉/嗅觉/味觉感知系统采集处理平台，且该平台集驱动、采集、处理、传输、控制及显示功能于一体，极高地提高了科研人员工作效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台，包括前端传感器模块、信号采集子板（包括模拟信号调理及模数转换）、FPGA SoC中央处理模块、电源模块、DDR外部存储模块、Flash存储模块、执行机构控制模块和上位机；所述的电源模块用于给整个感知平台各个功能模块进行供电，保证平台可靠、稳定的运行；所述的执行机构控制模块与执行机构和中央处理模块相连，用于接收中央处理模块的执行指令并控制执行机构执行相应的操作，包括对光源、位移台等执行机构的控制；所述的DDR外部存储模块与FPGA SoC中央处理模块连接，可用作大容量数据存储及FPGA SoC中央处理模块中PL与PS间大带宽数据交互的中转媒介；所述的Flash存储模块与FPGA SoC中央处理模块相连，用于存储通用感知平台待运行程序固件，平台上电后将用户选定的程序固件加载至FPGA SoC中央处理模块并启动运行；所述的信号采集子板对前端传感器进行配置信息中转，并对前端传感器送来的模拟信号进行模拟信号调理，再经过模数转换变成数字信号输出，经子母板高密度接口送至FPGA SoC中央处理模块；所述FPGA SoC中央处理模块为整个感知平台的核心模块，可实现整个感
知平台的传感器驱动、传感信号采集、处理、存储、传输及执行机构控制等多种功能。
[0008]作为优选，所述的FPGA SoC中央处理模块内部设有解码模块、视觉处理模块、听觉处理模块、慢变信号处理模块、配置模块、BRAM内部存储模块、功耗管理模块、多镜像切换模块、打包模块以及传输接口；所述的解码模块用于对信号采集子板送来的数字信号进行解码，得到并行的传感器原始数据；所述的视觉处理、听觉处理、慢变信号处理模块分别对视觉传感信号、听觉传感信号及触、嗅、味慢变传感信号进行相应的数字信号处理；所述的配置模块用于实现FPGA SoC中央处理模块对感知平台上其他功能子模块进行初始化参数及功能设置；所述的BRAM内部存储模块用于FPGA SoC中央处理模块内部数据的存储；所述的功耗管理模块用于实现整个感知平台的低功耗设计；所述的多镜像切换模块用于整个感知平台的硬件可重构功能；所述的打包模块用于对各感最终处理完成的数据进行打包处理；所述的传输接口用于将打包好的数据传送至上位机进行显示及后续处理。
[0009]作为优选，所述的配置接口模块包括SPI接口和I2C接口。
[0010]作为优选，所述的传输接口包括网络、光纤、USB、无线。
[0011]作为优选，所述平台采用子母板结构，所述模拟信号调理、模数转换均设置于信号采集子板上，所述信号采集子板与前端传感器连接，给传感器模块传送配置信号并接收传感器模块产生的模拟信号。
[0012]作为优选，还包括时钟模块，所述时钟模块与各信号采集子板上的模数转换芯片及FPGA SoC中央处理模块连接，用于为整个感知平台提供稳定、可靠、同步的时钟源。
[0013]一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知方法，其特征在于，包含以下步骤：S1：用FPGA SoC中央处理模块开发环境中集成的Bootgen工具产生以下系统工作镜像程序：默认工作镜像程序、类人五感感知系统工作镜像程序以及五感同时同步感知系统工作镜像程序；S2：将系统工作镜像程序存入Flash存储模块中，默认工作镜像程序存储在Flash的低地址空间；S3：平台上电硬复位后，工作在默认镜像程序；S4：用户通过上位机或硬件拔码开关选择平台预工作镜像程序；S5：当前平台工作镜像程序根据用户的选择更新FPGA SoC中央处理模块的MultiBoot寄存器，并对平台进行软复位；S6：平台软复位后，FPGA SoC中央处理模块的FSBL程序根据MultiBoot寄存器的值，加载对应Flash地址空间的镜像程序运行；S7：平台工作在新的镜像程序下，当需要切换至另一镜像程序时，用户通过上位机或硬件拔码开关选择平台预工作镜像程序；S8：重复步骤S5至步骤S7实现多镜像不断电切换工作机制。
[0014]作为优选，所述类人五感感知系统工作镜像程序为视觉感知系统工作镜像程序、听觉感知系统工作镜像程序、触觉感知系统工作镜像程序、嗅觉感知系统工作镜像程序、味觉感知系统工作镜像程序、视听触嗅味五感同时感知系统工作镜像程序。
[0015]本专利技术具有以下有益效果：1. 平台基于Xilinx FPGA SoC，采用软硬件协同、硬件模块化及软件模块化设计思路，通过硬件可重构技术，在一个通用硬件平台上可实现对视、听、触、嗅、味等多参量物
理信号的高速、并行、实时采集与处理；2. 高集成度、一体化平台，在一个平台上可实现传感器驱动、传感信号采集、处理、存储、传输及执行机构控制等多种功能；3. 通用平台采用低功耗设计技术，将工作镜像中未使用到的硬件及软件功能模块屏蔽；4. 采用多镜像不断电切换工作机制，在一个通用硬件平台上实现对类人五感信号的感知。
[0016]5. 硬件可重构设计降低了研发成本，缩短了传感器研发周期：之前针对每感传感器的测试分析都要搭建一套平台，利用基于FPGA的硬件可重构技术后，在统一的硬件平台上，研发人员可根据自身需求将平台重构成相应的感知平台，而无需再另行搭建一套测试分析平台，降低了研发成本，间接缩短了传感器整个研发周期。
附图说明
[0017]为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台，其特征在于：包括前端传感器、信号采集子板、中央处理模块、电源模块、DDR外部存储模块、Flash存储模块、执行机构、执行机构控制模块和上位机；所述的电源模块用于给整个感知平台各个功能模块进行供电；所述的执行机构控制模块与执行机构和中央处理模块相连，用于接收中央处理模块的执行指令并控制执行机构执行相应的操作；所述的DDR外部存储模块与中央处理模块连接，用作大容量数据存储及中央处理模块中PL与PS间大带宽数据交互的中转媒介；所述的Flash存储模块与中央处理模块相连，用于存储通用类人五感感知平台待运行程序固件，平台上电后将用户选定的程序固件加载至中央处理模块并启动运行；所述的信号采集子板与前端传感器和中央处理模块连接，用于对前端传感器进行配置信息中转，并对前端传感器送来的模拟信号进行调理、转换后输出给中央处理模块；所述中央处理模块用于实现整个感知平台的传感器驱动、传感信号采集、处理、存储、传输及执行机构控制，包括：对平台各子模块进行功能参数配置；对信号采集子板送来的数字化后传感信号进行解码及相应的数据处理，并将处理后的数据打包传输给上位机进行显示及后续处理。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五感感知平台，其特征在于：所述的中央处理模块采用FPGA SoC中央处理模块，其内部设有互相连接的解码模块、视觉处理模块、听觉处理模块、慢变信号处理模块、配置模块、BRAM内部存储模块、功耗管理模块、多镜像切换模块、打包模块以及传输接口；所述的解码模块用于对信号采集子板送来的数字信号进行解码，得到并行的传感器原始数据；所述的视觉处理模块、听觉处理模块、慢变信号处理模块分别对视觉传感信号、听觉传感信号及触、嗅、味慢变传感信号进行相应的数字信号处理；所述的配置模块用于实现FPGA SoC中央处理模块对感知平台上其他功能子模块进行初始化参数及功能设置；所述的BRAM内部存储模块用于FPGA SoC中央处理模块内部数据的存储；所述的功耗管理模块用于管理各模块工作，实现低功耗运行；所述的多镜像切换模块用于整个感知平台的硬件可重构功能；所述的打包模块用于对各感最终处理完成的数据进行打包处理；所述的传输接口用于将打包好的数据传送至上位机进行显示及后续处理。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的硬件可重构通用类人五...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹敏，杨青，刘旭，徐鸿博，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：