CN101276322A - 一种具有公式发现功能的嵌入式智能芯片 - Google Patents

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一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，它包括存储器、IP软核芯片、软核微处理器、键盘接口、USB接口及LCD显示控制器：软核微处理器与存储器、IP模块、键盘接口、USB接口、LCD控制器通过各自接口连接；IP软核芯片为内置公式发现系统SOC系统芯片。IP软核芯片包括数据输入端口、公式发现控制模块、公式库及公式输出端口；公式发现控制模块分别与数据输入端口、公式库、公式输出端口连接。智能芯片从计算机下载的原始数据，首先经数据预处理模块初步处理；第二步由公式初选模块根据误差逼近情况优选原型函数；第三步由误差分析模块计算入选公式的相对误差并进行比较；第四步根据用户的误差要求决定是否对系统所发现的公式进行修正。

Description

一种具有公式发现功能的嵌入式智能芯片
技术领域
本发明涉及一种智能芯片，具体讲是一种具有公式发现功能的嵌入式智能芯片，属人工智能技术领域。
背景技术
人工智能是信息技术发展的重要方向之一。世界各国都在开展公式发现系统的研究工作，公式发现系统主要是指通过机器的发现学习，帮助学习者或研究者分析实验数据、发现潜在规律、验证学习者或研究者设想的一种系统。据资料报道，世界上目前只有美国德州仪器公司和惠普公司开发成功过一种手持式的具有公式发现功能的图形化计算仪。然而，这种计算仪在公式发现上仍然采用的是传统的数据拟合技术，当行列式元素微小变化引起解的显著变化的问题，即线性方程组系数行列式存在“病态问题”。并且，图形化计算仪发掘出来的公式只有多项式一种类型，不仅知识形式单一、可理解性、可用性差；更重要的是无法从得到的公式中了解周期性、变化趋势等重要特征。
Sinx＝x-0.166667x3+0.008333x5-0.0001984x7+0.0000027557x9-……(1)
阻尼振动曲线公式：x＝A0e-βtcos(ωft+φ)                     (2)
观察公式(1)等号左边与右边可以看出：右边的多项式表示形式无法体现周期性、变化趋势等重要特征，而左边则完全不同；公式(2)的情况更是如此。
目前国内外仅有的少数几个仪器制造企业设计和生产具有公式发现系统功能的芯片，大多数厂家仍延用基于通用嵌入式处理器，再加上外围电路组装后，公式发现由软件算法完成的方式，这种方式主要缺点是公式发现的效率低。第二种是基于FDD(Formula Discovery from Data，公式发现)的系统，其运行环境是计算机，而不是嵌入式系统，这种方式的主要缺点是体积大、外围接口单元多，无法随身便携，使用不方便。总之，目前还没有发现基于SOC(片上系统)的公式发现系统解决方案。因此，研究一种能够提高公式发现系统的效率，减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，可重构的公式发现系统已成为国内外提高智能化信息发展研究的重要内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有公式发现功能的嵌入式智能芯片，其是基于XILINX公司的FPGA(Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)的公式发现SOC(片上系统)智能芯片。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，它包括存储器、IP软核芯片、软核微处理器、键盘接口、USB接口及LCD显示控制器，其特征在于：软核微处理器与存储器、IP模块、键盘接口、USB接口、LCD控制器通过各自的接口分别连接；所述IP软核芯片为内置有公式发现系统的SOC系统芯片。
其中，所述IP软核芯片包括数据输入端口、公式发现控制模块、公式库及公式输出端口；所述公式发现控制模块分别与数据输入端口、公式库、公式输出端口连接。
其中，所述公式发现控制模块内置有数据预处理模块、公式初选模块、误差分析模块和公式修正模块。
其中，所述公式库是将知识库中的知识预先固化于该模块中，此预固化程序对公式发现系统进行分析、判断、决定最终公式；该公式库包括原型函数公式库和原型算法库，其中，原型函数公式库是构成数学公式的基本单元，原型算法库所包括的原型决定了系统的发现能力。
其中，所述公式输出端口将所决定最终公式输出给LCD显示。
其中，该智能芯片通过键盘输入的原始数据或者通过USB接口从计算机下载的原始数据，首先经过公式发现IP核模块中数据预处理模块进行初步处理；第二步由公式初选模块根据误差逼近情况来优选原型函数；第三步由误差分析模块计算入选公式的相对误差并对误差进行比较；第四步根据用户提供的误差要求决定是否对系统所发现的公式进行修正；软核微处理器完成整个公式发现系统的调度工作，如实现数据输入或下载，响应接口命令，控制LCD显示刷新等功能；LCD控制器实现外部LCD的驱动功能。
其中，所述的经过公式发现IP核模块中数据预处理模块进行初步处理，包括两个方面，其一是根据具体情况对用户所提供的数据进行初步处理；其二是在多变量中选择两个变量以及向多变量的过渡处理。
本发明采用如上技术方案，其有益效果如下：一、本发明所述的智能芯片，是基于XILINX FPGA的公式发现芯片，该芯片将存储器、公式发现IP核模块、XILINX FPGA软核微处理器、键盘接口USB接口以及LCD控制器集成为一体，固化成一体积微小的芯片，与现有技术相比，不仅可以大幅缩短系统发现公式的时间，更可以缩小整个系统所占的面积，减少外围驱动接口单元及电路板间的信号传递，加快微处理器数据处理的速度，内嵌的线路还可以避免外部电路板上信号传递所造成的系统干扰。芯片本身在最简单的低端应用中可以充当独立的公式发现芯片，芯片集成度高，可靠性强。二、本发明的技术方案是基于大规模FPGA解决方案的SOC(片上系统)现代计算机辅助技术、EDA(电子设计自动化)技术和大规模集成电路技术高度发展的综合技术，本发明改变了以往将IP硬核预先植入系统微处理器的方式，采用嵌入式系统微处理器的IP软核，该IP软核可以根据用户需要随意对其硬件结构、功能特点、资源占用等进行灵活配置构建；改变了IP硬核无法裁减微处理器硬件资源的缺陷，该IP软核则可以随意裁减，有效降低了FPGA成本，从而在相当短的时间内用很低的成本就可以开发出目标产品。三、本发明的智能芯片装载于不同的仪器、仪表或设备中，使这些仪器、仪表或设备具有公式发现的能力，这对于提高仪器、仪表或设备的智能化程度将起到非常重要的作用。
附图说明
图1为本发明的具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片的结构框图
图2为本发明中公式发现IP软核芯片的结构框图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明公开的具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，提出了一个完整的公式发现SOC芯片的设计方案，并立足于实际的具体应用，给出了基于XILINX公司的32位MicroBlaze软核处理器的FPGA实现方案。该系统方案同样可以应用到其它数据发现SOC芯片设计中，只是需要修改相应的发现算法，调整系统软件中相应的模块就可以了。
本发明的具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，由存储器，XILINX FPGA软核微处理器，公式发现IP软核芯片、键盘接口，USB接口以及LCD控制器组成，其中，XILINX FPGA软核微处理器分别与存储器、公式发现IP软核芯片、键盘接口，USB接口以及LCD控制器连接。
其中，存储器用来保存需要进行发现的原始数据和各种中间运行结果，以便后面的运算使用，它直接受到XILINX FPGA软核微处理器的控制；同时它还可以使公式发现IP软核芯片可以实现流水线结构，加快运算速度；
XILINX FPGA软核微处理器是本发明的指挥控制中心，本发明实施例中采用MicroBlaze软核微处理器，该MicroBlaze软核微处理器完成整个公式发现系统的调度工作，如实现数据输入或下载，响应键盘及USB接口命令，控制LCD显示刷新等功能。该MicroBlaze软核微处理器是一种针对Xilinx FPGA器件而优化的32位微处理器，适用于所有的FPGA器件。将MicroBlaze软核微处理器和其它外设IP核一起，可以完成可编程系统芯片的设计。MicroBlaze软内核采用RISC(reduced instructionsystem computer)架构和哈佛(Harvard)结构的32位指令和数据总线，内部有32个通用寄存器R0～R31和2个特殊寄存器程序指针和处理器状态寄存器。MicroBlaze还具有指令和数据缓存，所有的指令长度都是32位，有3个操作数和两种寻址模式，指令功能划分有逻辑运算，算术运算，分支，存储器读/写和特殊指令等，指令执行的流水线是并行流水线，它分为3级流水线：取指，译码和执行。本发明中采用的是MicroBlaze软核处理器的升级版本-MicroBlaz V4.0。可工作于200MHz时钟频率，与以前版本相比，核性能增加了25％。此外，MicroBlaze V4.0的32位处理器还包括可选择的浮点单元。
公式发现IP软核芯片是整个智能芯片的核心部分，它主要是利用FPGA实现公式的搜索、误差计算和数据拟合；优选函数原型、控制继续发现和修正公式等。该IP软核芯片内置有数据输入端口、公式发现控制模块、公式库与公式输出端口；所述的公式发现控制模块分别与数据输入端口、公式库及公式输出端口连接。其中：公式库模块是将知识库中的知识预先固化于该模块中，此预固化程序用于对公式发现系统进行分析、判断、决定最终公式；公式发现控制模块中内置有4个子模块，分别为：数据预处理模块、公式初选模块、误差分析模块和公式修正模块。公式发现IP软核芯片主要是利用XILINX FPGA软核微处理器完成整个公式发现芯片的调度工作，从而构成公式发现系统；
键盘接口提供外接键盘功能，以方便数据的输入；键盘接口，通过键盘人工向MicroBlaze软核微处理器输入命令，包括输入原始数据和误差要求等技术内容。
USB接口提供与计算机连接功能，以方便批量数据能够通过计算机下载到本系统中；USB接口提供MicroBlaze软核微处理器与计算机或其它仪器、仪表或设备的连接功能，以方便批量数据能够通过计算机或其它仪器、仪表或设备下载到本系统中。
LCD控制器实现LCD的驱动功能。LCD显示控制器是整个系统人机交互的界面，LCD显示控制器显示当前MicroBlaze软核微处理器数据预处理结果，公式初选择情况，误差分析结果，公式修正，最终挖掘出来的公式等等，同时也可以方便系统调试。
其中，上述该IP软核芯片内置的公式发现控制模块是公式发现IP软核芯片中的核心部分，其工作原理为：
(1)数据预处理模块：通过数据输入端口输入的数据进入该模块的主要完成两个任务，其一是根据具体情况对用户所提供的数据进行初步处理；其二是在多变量中选择两个变量以及向多变量的过渡处理。
(2)公式初选模块：按照接收到的数据预处理后的数据与公式库中提供的公式进行初选，根据其误差(用户进行公式发现时给出的误差)逼近情况来选择所有满足条件的原型函数。
(3)误差分析模块：将公式初选模块提供的公式，按照相对误差和均方差最小的原则进行比较。
(4)公式修正模块：经过误差分析模块得到的分析结果与由键盘接口输入的误差要求决定是否对系统所发现的公式进行修正。
其中，上述该IP软核芯片内置的公式库模块：包括原型函数公式库和原型算法库，其中，原型函数公式库是构成数学公式的基本单元，原型算法库所包括的原型决定了系统的发现能力；
其中，上述该IP软核芯片内置的公式输出端口模块：将公式发现控制模块决定的最终输出公式输入至MicroBlaze软核微处理器，通过MicroBlaze软核微处理器将该结果输入到LCD显示控制器，由LCD实现可视化显示。
用户通过LCD显示控制器可以很直观地阅读公式，并了解所发现的公式逼近实验数据的情况。
公式发现IP软核芯片的工作流程：由数据输入端口人工输入试验数据，包括选择的函数原型或推理机自动选择函数原型组合成数学关系式，利用最小二乘法原理求组合关系式的各个系数，显示变化趋势，通过数据预处理模块；再将预处理后的数据送入公式初选模块、根据数学关系式的逼近效果，由使用者决定重新构造关系式还是进行自动推理深入构造数学关系式，并进入误差分析模块进行误差分析，在搜索过程中，每当发现一个比较可行的公式或函数原型，便将其送入公式库等待下一步的选择，每一轮选择之后便把落选的公式剔除出公式库，直至发现满意的公式为止，最后将其满意的公式经公式输出端口输出。

Claims (7)

1、一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，它包括存储器、IP软核芯片、软核微处理器、键盘接口、USB接口及LCD显示控制器，其特征在于：软核微处理器与存储器、IP模块、键盘接口、USB接口、LCD控制器通过各自的接口分别连接；所述IP软核芯片为内置有公式发现系统的SOC系统芯片。
2、根据权利要求1所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：所述IP软核芯片包括数据输入端口、公式发现控制模块、公式库及公式输出端口；所述公式发现控制模块分别与数据输入端口、公式库、公式输出端口连接。
3、根据权利要求2所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：所述公式发现控制模块内置有数据预处理模块、公式初选模块、误差分析模块和公式修正模块。
4、根据权利要求2所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：所述公式库是将知识库中的知识预先固化于该模块中，此预固化程序对公式发现系统进行分析、判断、决定最终公式；该公式库包括原型函数公式库和原型算法库，其中，原型函数公式库是构成数学公式的基本单元，原型算法库所包括的原型决定了系统的发现能力。
5、根据权利要求2所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：所述公式输出端口将所决定最终公式输出给LCD显示。
6、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：该智能芯片通过键盘输入的原始数据或者通过USB接口从计算机下载的原始数据，首先经过公式发现IP核模块中数据预处理模块进行初步处理；第二步由公式初选模块根据误差逼近情况来优选原型函数；第三步由误差分析模块计算入选公式的相对误差并对误差进行比较；第四步根据用户提供的误差要求决定是否对系统所发现的公式进行修正；软核微处理器完成整个公式发现系统的调度工作，如实现数据输入或下载，响应接口命令，控制LCD显示刷新等功能；LCD控制器实现外部LCD的驱动功能。
7、根据权利要求6所述的一种具有公式发现系统功能的嵌入式智能芯片，其特征在于：所述的经过公式发现IP核模块中数据预处理模块进行初步处理，包括两个方面，其一是根据具体情况对用户所提供的数据进行初步处理；其二是在多变量中选择两个变量以及向多变量的过渡处理。
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