CN106209324A - Fpga实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，包括：智能头显设备本体和封装于智能头显设备本体内部的FPGA控制芯片，其中，FPGA控制芯片用于实现多频无线联网模组，微控制器通过外部接口接收来自外部传感器采集的数据，并对采集的数据进行分析处理，根据数据的不同需求配置相应的无线协议，根据配置后的无线协议，向射频转换开关发送控制指令；射频转换开关根据微控制器的控制指令切换至相应的射频模块，由射频模块输出射频信号，以实现对应的无线协议发送数据。本发明通过网络配置实现一种或多种协议同时进行无线网络传输，并且采用FPGA设计，结构简单，资源消耗量小。

Description

FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备
技术领域
本发明涉及物联网无线模组及智能设备技术领域，特别涉及一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备。
背景技术
智能头显(Head Mounted Displays，HMD)具备用户可以实时观看影像和信息的优点。HMD最早始于消费类用途和商务用途。HMD是在影像视听、运动等趣味性强的领域，HMD的需求日益高涨。加上其构成部件的进步，出现了普及的势头。随着HMD的小型轻量化，HMD工作为目标的开发动向日益活跃。除了运动和娱乐领域外，还接连出现了设想用于日常生活的提案。商务用途则出现了将其用于作业支援和设计支援的企业。
随着物联网的不断进化，联网设备需要将更多的功能芯片封装在一个模块里面，使联网设备具备高集成度、超小尺寸以及超低功耗等优点，因此需要研发一种专为物联网设备和穿戴式产品设计的无线模组，可以帮助它们实现与其他智能设备或者云端互联，从而实现物联网云数据分析和其他增值服务。
在未来5年内，60％的物联网和可穿戴设备将会采用多频物联网模组，因为多频物联网模组尺寸更小，无线射频性能更稳定。根据一些市场分析机构的预测，到2020年将会有250亿台设备可以联网。
多频物联网模组产品可以让开发者非常便利的在它们的智能设备上增加无线功能，尺寸很小，可以应用在非常广泛的市场，包括可穿戴、智能家居、智能照明和行业应用等。它可以使设备制造商快速、简捷地生产出所需的各种功能的物联网和可穿戴设备，同时提供优化的底层固件，和物联网云服务，帮助客户在他们的物联网产品上实现先进的数据分析、预测，帮助开发者快速把好的想法转化成产品和应用。
物联网(IoT)时代已经到来，随着智能硬件创业的兴起，大量智能家居和可穿戴设备进入了人们的生活，但是由于安全标准滞后，以及智能设备制造商缺乏安全意识和投入，物联网已经埋下极大隐患，是个人隐私、企业信息安全甚至国家关键基础设施的头号安全威胁。
Berrou在1993年国际通信会议上提出的Turbo码，又被称为并行级联卷积码(PCCC)，该码巧妙的结合了随机交织器和卷积码的思想，实现了香农信道编码定理中所要求的随机编译码，在译码算法上采用了软输出迭代译码来逼近最大似然译码，从而获得了非常优异的性能。实验室计算机仿真的条件：采用的交织长度为65535的随机交织器、迭代18次、BPSK调制、码率为1/2、AWGN信道、结果得到Turbo码在信噪比EbNo≥0.7dB的情况下，BER(误比特率)≤10-5，与Shannon极限只相差0.7dB。
Turbo码的出现在编码理论界引起巨大轰动，被公认为自1982年TCM技术问世之后，信道编码理论研究上的最重大的突破。目前，Turbo码已经从简单的实验室仿真过渡到实际应用阶段，Turbo码已经在深空通信、卫星通信以及多媒体通信等领域得到了广泛应用。此外Turbo码在文本传输和数据存储等方面也有应用，Turbo码被ITU2T确定为第三代移动通信(IMT22000)编码方案之一。
如图1所示，Turbo码编码器主要由两个递归系统卷积码编码器(RSC1,RSC2)、交织器和一个复接器组成。递归系统卷积码编码器是指带有反馈的系统卷积码编码器。交织器用来打乱信息序列的排列顺序，获得与原始序列长度和内容都相同但顺序不同的信息序列。
输入信息序列x1，经过交织器打乱之后变成x2，两组序列x1，x2分别经过两个分量编码器得到两组校验比特序列y1，y2，再将x1，y1，y2复接成序列{x1,y1,y2}发送至信道。
Turbo码获得优异性能的一个重要原因就是其采用的迭代译码算法，通过分量译码器之间的软信息交换来提高译码可靠性。如图2所示，Turbo码译码器中有两个软输入软输出(SISO)的分量译码器，它们分别与编码器的两个分量编码器RSC1、RSC2相对应。
译码刚开始的时候译码器1的先验信息序列le1先全部清零，分量译码器1接收到来自信道的x1序列，y1序列以及全部为0的le1序列送入分量译码器1译码，得到的输出dec1_out(表示x1序列的似然比信息)。dec1_out经过外信息计算以及交织器之后成为分量译码器2的先验信息序列输入le2，而x1序列经过交织之后得到x2序列。于是有了分量译码器2的3个输入：x2序列，y2序列，le2序列，而分量译码器2的输出dec2_out(表示x2序列的似然比信息)经过外信息计算以及反交织之后成为了下一次迭代计算时分量译码器1的先验信息输入le1，到此为止就完成了一次迭代循环。
第二次迭代开始的时候分量译码器1的输入x1序列，y1序列都不变，只是这时的le1序列就是上次迭代结束的时候得到更新的le1序列。若干次迭代结束之后对dec2_out进行反交织并进行硬判决从而得到译码输出c_out。
Turbo码的特点之一就是其迭代译码算法，随着迭代次数的增加相应信息比特的对数似然比越来越可信，误比特率也会越来越低，但是迭代到了一定的次数其译码性能就到达一个瓶颈，误比特率不会再有下降，这就是所谓的“误码平层”，如图3所示。
明显信道条件越好，信噪比越高，译码所必要的迭代次数就越低。但是在实际通信中实际的信道变化非常复杂，信噪比变化频繁，所以采用预先固定迭代次数的做法会造成译码速度过慢，效率低的问题，该方案并不可取。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，通过网络配置实现一种或多种协议同时进行无线网络传输，并且采用FPGA设计，结构简单，资源消耗量小。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，包括：智能头显设备本体和封装于所述智能头显设备本体内部的FPGA控制芯片，其中，所述FPGA控制芯片用于实现多频无线联网模组，包括：微控制器、存储单元、射频模块、射频转换开关、平衡滤波器、电源单元和外部接口，其中，
所述电源单元与所述微控制器、存储单元、射频模块、平衡滤波器和外部接口相连，以在所述电源单元的供电下驱动工作；
所述微控制器与所述外部接口双向连接，以通过所述外部接口接收来自外部传感器采集的数据，并对采集的数据进行分析处理，根据数据的不同需求配置相应的无线协议，根据配置后的无线协议，向所述射频转换开关发送控制指令；
所述存储单元与所述微控制器的输入端与相连，用于存储所述微控制器运行过程产生的数据及通过网络传送来的数据、微控制器程序升级或恢复的代码；
所述射频转换开关与所述微控制器的输出端相连，用于根据所述微控制器的控制指令切换至相应的射频模块，由所述射频模块输出射频信号，以实现对应的无线协议发送数据，其中，所述射频模块包括多种无线协议的射频模块，根据所述数据的不同需求配置相应的无线协议进行选择性切换，以实现多频无线联网；
所述平衡滤波器与射频模块相连，用于对射频模块输出的射频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的射频信号发送到云端网络中；
其中，所述微控制器进一步通过外部接口接收由所述云端网络返回的执行指令，并通过所述外部接口将所述执行指令发送至相应的外部执行器，以驱动所述外部执行器工作。
进一步，所述射频模块至少包括以下一种：蓝牙BLE射频模块、WIFI射频模块、ZIGBEE射频模块、Lora射频模块、NB-IOT射频模块、SUB-1G射频模块；所述外部接口至少包括以下一种或多种：SPI接口、GPIO接口、I2C接口。
进一步，还包括：安全加密模块，所述安全加密模块与所述微控制器通过I2C接口相连，用于对所述微控制器的通信数据进行安全加密。
进一步，所述微控制器、存储单元、射频模块、射频转换开关、平衡滤波器、电源单元、安全加密模块和外部接口采用SIP系统级封装技术，封装在所述FPGA芯片内。
进一步，所述微控制器设置有主模式和从模式，其中，
在所述主模式下，由所述微控制器完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作；
在所述从模式下，所述微控制器通过所述外部接口连接至外部的单片机，由外部的单片机完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作。
进一步，所述微控制器采用Turbo码信道算法对数据进行编码处理，其中，所述微控制器采用提前停止迭代对方式实现Turbo码信道算法，包括：
在每次迭代结束之后进行硬判决；
将本次迭代硬判决得到的比特序列与上次迭代硬判决得到的比特序列相比较，其中，原始比较序列由译码之前直接硬判决产生‘
计算两个序列不相同的比特数，当判断两个序列不相同的比特数为0，停止迭代并输出结果。
进一步，所述微控制器的操作系统基于IPV6技术协议实现。
进一步，在所述智能头显设备的本体上设置有：位于用户视线正前方的单/双目成像装置、位于两侧的包耳式降噪拢音耳罩装置或骨传导音频传输装置、环绕后头部的人体工学承重弹性伸缩结构装置、位于双耳侧的汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器或入耳式扬声器装置。
进一步，所述外部传感器至少包括以下一种：气压传感器、光感传感器、地磁、角度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、心率传感器、血氧脉搏传感器和体温传感器。
进一步，所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组，进一步用于应用全景图像和视频采集、拼接、渲染处理，包括：所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组针对场景，通过图形图像视频采集单元模组实现应用全景图像和视频采集处理；所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组用于对于GPU图形图像处理单元的渲染加速与辅助单元装置，实现对全景图像和视频拼接、渲染处理。
根据本发明实施例的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，通过网络配置实现一种或多种协议同时进行无线网络传输，拓展了通信渠道，通过采用SIP系统级封装技术使该无线联网模组集成度更高、尺寸更小、功耗更低。并且，多个无线联网模组之间还可以自组网，通过采用SPI接口外接单片机，可以使无线联网模组工作在从模式，或者不外接单片机，使之工作在主模式，此外增加了安全加密方案，使无线联网模组的安全性得到了很大的提高。
此外，本发明通过FPGA实现的多频无线联网模组及其Turbo码信道自适应算法，仿真结果表明，通过该方案构造的FPGA实现的Turbo码译码器的纠错性能没有明显下降，但是译码速度得到大大提升。并且，并且该算法对应的FPGA设计结构简单，资源消耗量小，用FPGA硬件实现得到的电路运行频率高。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为码率为1/3的Turbo码编码器结构图；
图2为码率为1/3的Turbo码译码器结构图；
图3为MAP算法中迭代次数与信噪比的关系，可以看到“误码平层”的出现；
图4为根据本发明实施例的基于FPGA的多频无线联网模组的智能头显设备的结构示意图；
图5为以MAP算法为基准，固定迭代次数与自适应迭代控制的性能比较图，其中虚线为本发明得到的自适应迭代控制算法的性能曲线；
图6为以MAP算法为基准，采用自适应迭代控制算法得到的迭代次数与信噪比的关系图；
图7为以MAX-LOG-MAP算法为基准，固定迭代次数与自适应迭代控制的性能比较图，其中虚线为本发明得到的自适应迭代控制算法的性能曲线；
图8为以MAX-LOG-MAP算法为基准，采用自适应迭代控制算法得到的迭代次数与信噪比的关系图；
图9为以本发明的自适应迭代控制算法对应的FPGA信号图；
图10为自适应迭代控制算法的理论仿真和实际硬件测试性能对比图；
图11为由本发明得到的算法对应FPGA硬件译码器译码速度图；
图12为根据本发明实施例的基于FPGA的多频无线联网模组的智能头显设备的工作模式示意图；
图13为微控制器6电路原理图；
图14为BLE射频模块电路原理图；
图15为智能头显设备的示意图；
图16(a)和(图16(b)为40-50mm汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器装置瞬间頻响测试图；
图17为摄像机及摄像机阵列组等图形图像视频采集单元模组(应用于全景图像和视频采集)的示意图；
图18为FPGA图形图像处理单元加速渲染辅助装置的示意图；
图19为摄像机单元的结构图；
图20为摄像机单元的电路图；
图21为地磁传感器、角度传感器、加速度传感器的结构框图；
图22为温湿度传感器的结构框图；
图23为光感传感器和紫外光传感器的结构框图；
图24为心率传感器和血氧脉搏传感器的结构框图；
图25为气压传感器的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提出一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，采用FPGA实现的多频无线联网模组与Turbo码信道算法，用于实现与无线物联网模组和通讯的智能头显设备。
如图4所示，本发明实施例的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，包括：智能头显设备本体和封装于智能头显设备本体内部的FPGA控制芯片。
具体地，FPGA控制芯片用于实现多频无线联网模组2，包括：微控制器6、存储单元9、射频模块4、射频转换开关5、平衡滤波器3、电源单元8和外部接口10。
需要说明的是，多个多频无线联网模组2之间通过无线连接形成局域网。
在本发明的一个实施例中，微控制器6、存储单元9、射频模块4、射频转换开关5、平衡滤波器3、电源单元8、安全加密单元7和外部接口10采用SIP系统级封装技术，封装在FPGA芯片内。需要说明的是，该封装技术并不限于SIP封装技术，示例并不是为了限制本发明的范围，还可以采用其他封装技术将各个器件封装进FPGA芯片。
电源单元8与微控制器6、存储单元9、射频模块4、平衡滤波器3和外部接口10相连，以在电源单元8的供电下驱动工作，为基于FPGA的多频无线联网模组2的运行提供动力。
微控制器6与外部接口10双向连接，以通过外部接口10接收来自外部传感器采集的数据，并对采集的数据进行分析处理，根据数据的不同需求配置相应的无线协议，根据配置后的无线协议，向射频转换开关5发送控制指令。优选的，微控制器6的操作系统基于IPV6技术协议实现。图13示出了微控制器6的电路原理图。
进一步，射频模块44内包括晶振电路，用于为整个无线联网模组2的运行提供基准频率，提供微控制器6及射频模块44和自组网的系统时钟，保证无线联网模组2的正确运行。
在本发明的一个实施例中，外部接口10至少包括以下一种或多种：SPI接口、GPIO接口、I2C接口。
进一步，微控制器6与Flash单元、射频模块44均采用SPI接口连接在一起。需要说明的是，上述接口并不限于SPI接口，还可以采用GPIO接口等，示例并不是为了限制本发明的范围，在此不再赘述。
在本发明的一个实施例中，外部接口10连接外部传感器、外部单片机、外部执行器。
其中，外部传感器可以包括以下一种或多种：气压传感器、光感传感器、地磁、角度传感器、温度传感器、湿度传感器、心率传感器和体温传感器等。
图21为地磁传感器、角度传感器、加速度传感器的结构框图。如图21所示，地磁传感器、角度传感器、加速度传感器采集的信号通过模数转换后，输出至传感器控制逻辑单元，并通过SDA发送至FPGA控制芯片进行处理。其中，由数据校正单元对模数转换单元和传感器控制逻辑单元的数据进行校正。
图22为温湿度传感器的结构框图。如图22所示，由传感器驱动管理单元驱动温度传感器和湿度传感器采集数据，并将采集温度数据和经过放大后的湿度数据进行模数转换，发送至温湿度传感器控制逻辑单元，并通过SDA发送至FPGA控制芯片进行处理。
图23为光感传感器和紫外光传感器的结构框图。如图23所示，光感传感器和紫外光传感器采集的信号通过模数转换后，发送至I2C信号通讯接口，并通过SDA发送至FPGA控制芯片进行处理。
图24为心率传感器和血氧脉搏传感器的结构框图。如图24所示，心率传感器和血氧脉搏传感器采集的数据通过模数转换(ADC)，在经过数字信号处理(数字滤波器和数据寄存器)，发送至I2C信号通讯接口，并通过SDA发送至FPGA控制芯片进行处理。
图25为气压传感器的结构框图。如图25所示，气压传感器在传感器驱动器的驱动下，采集气压信号，并发送至数据选择器，进一步通过低噪前端模拟和ADC数值信号处理，通过SDA发送至FPGA控制芯片进行处理。
需要说明的是，外部传感器的类型不限于上述，还可以包括其他类型的传感器，用以检测周围环境及佩戴者的状态，在此不再赘述。由外部传感器检测到的数据通过FPGA算法处理并加入到无线组网中，从而实现利用本发明HMD智能头显设备，实现对上述状态的采集、分析和呈现。
微控制器6采用Turbo码信道算法对数据进行编码处理，其中，微控制器6采用提前停止迭代对方式实现Turbo码信道算法，包括：
在每次迭代结束之后进行硬判决；
将本次迭代硬判决得到的比特序列与上次迭代硬判决得到的比特序列相比较，其中，原始比较序列由译码之前直接硬判决产生；
计算两个序列不相同的比特数，当判断两个序列不相同的比特数为0，停止迭代并输出结果。
下面对提前停止迭代对方式进行说明：
(1)预先设定最大迭代次数Imax，将先验信息初始化为0；
(2)译码之前对输入的序列先进行一次硬判决，得到长度为N(帧长)的比特序列R1；
(3)开始迭代
(4)迭代结束之后，进行硬判决，得到长度为N(帧长)的比特序列R2，如果当前迭代次数i＝Imax，就转到步骤7；
如果当前迭代次数i≠Imax，就转到步骤5；
(5)把R1，R2进行比较，得到两序列不相同的比特数NUMBER；
(6)如果NUMBER＝0，就转到步骤7；
如果NUMBER≠0，用R2代替R1并转到步骤3；
(7)把R2作为译码结果输出。
图5和6示出了固定迭代次数MAP算法和由本发明得到的自适应迭代控制MAP算法的性能图。图7和8示出了固定迭代次数MAX-LOG-MAP算法和由本发明得到的自适应迭代控制MAP算法的性能图。
如图可知，两种算法都采用(13,15)RSC码作为分量码，码率为1/3，帧长为1440，采用BPSK调制，AWGN信道。若无特殊说明，后面的实验仿真条件所采用分量码，码率，帧长，调制方式，信道类型均不变。
参考图5至图8，采用自使用迭代控制方案之后译码算法性能没有明显的恶化，与固定迭代次数的译码性能基本一致。
对于迭代次数，在信噪比为0dB的时候，无论最大迭代次数是3、5或者8，自适应迭代控制MAP算法和MAX-LOG-MAP算法都没有能够有效的减少迭代次数，这是因为这个时候信噪比过低，无论多少次迭代都不可能使译码有改善，前后两次迭代计算的判决序列不可能一样，所以迭代计算总是到最大迭代次数才停止。
在信噪比为0.5dB的时候，由于信噪比稍有提高，但相对也是比较低的，所以会出现两种情况：
其一，与在0dB的时候一样无论多少次迭代都不可能使译码有改善，所以译码总是要迭代到最大迭代次数才停止；
其二，迭代很多次(通常在6次以上)，所以这时候只有最大迭代次数为8的时候自适应迭代控制能起到一定的作用，但是也很小。
在信噪比不小于1dB的时候，这个时候随着迭代次数的增加，误比特数会逐渐减少。即，随着迭代次数的增加，译码性能也在逐渐改善，所以这种情况下自适应迭代控制就开始发挥作用了。并且信噪比越高，作用越明显。这是因为当信噪比高的时候所必要的迭代次数少，这个时候相对于最大迭代次数而言自适应迭代控制方案能在很早的时刻就有效的停止迭代，于是就大大的节约了译码时间，提高了译码速度。
图9为以本发明得到的自适应迭代控制算法对应的FPGA信号图。参考图9，在译码器刚开始工作的时候先将交织好的x2序列送入迭代控制模块进行硬判决，并且把硬判决的结果送入块状RAM进行存储。第一次迭代计算得到的分量译码器译码输出dec2_out输入的时候也把dec2_out进行硬判决，得到le2_deside信号，这时候同步读取块状RAM中的数据得到load信号，然后送入序列比较模块进行比较(实际上是第一次迭代结束的判决结果和直接硬判决的结果相比较)，于是得到信号same(表示两个序列相同的比特数)，然后送入到迭代停止判定模块。而le2_deside信号经过一定的延时，也进入块状RAM进行存储。
对于迭代计数模块用每次dec2_out的同步电平en_in2做信号，在en_in2的上升沿计数，再结合same信号，对迭代计算和迭代停止进行判决。
本发明采用(13,15)Turbo码，1/3码率，帧长N＝1024，MAX-LOG-MAP算法，自适应迭代控制，最大迭代次数5次，采用BPSK调制，在AWGN信道条件下得到理论仿真和实际FPGA硬件测试性能对比图。
本发明使得Turbo码译码算法在进行译码的过程中根据信道信噪比的变化自动调整迭代次数，节约译码时间，加快译码速度。
参考图10和图11，硬件电路的译码性能与实验室仿真差距很小，两条曲线基本重合，就算有差距也是在一个数量级之内，这种程度的性能损失对于硬件设计来说是可以接受的。而从译码速度测试图表可以看到，随着信道信噪比的提高硬件译码速度有明显的提升，这说明硬件电路的确实现了信道自适应迭代控制的功能，使译码速度大大提高，达到了优化译码算法的功能。
存储单元9与微控制器6的输入端与相连，用于存储微控制器6运行过程产生的数据及通过网络(例如云端1网络或局域网)传送来的数据、微控制器6程序升级或恢复的代码。
在本发明的一个实施例中，存储单元9采用Flash芯片。
此外，本发明实施例的FPGA实现的基于多频无线联网模组2的智能头显设备，还包括：安全加密单元7，安全加密单元7与微控制器6通过I2C接口相连，用于对微控制器6的通信数据进行安全加密。
需要说明的是，安全加密单元7与微控制器6的连接接口并不限于I2C接口，还可以采用GPIO接口等，在此不再赘述。
具体地，安全加密单元7集成了WEP、TKIP、AES和WAPI硬件安全引擎，为无线联网模组2提供基于硬件的超安全密钥存储，具备64位嵌入式硬件加密引擎、多套不可读的64位验证密钥以及多套不可读的64位会话加密密钥。采用安全加密单元7对微控制器6通信数据进行加密，防止硬件被篡改。通过点到网络(云端1或局域网)的安全加密，从而确保每一件物品实现智能连接。
射频转换开关5与微控制器6的输出端相连，用于根据微控制器6的控制指令切换至相应的射频模块4，由射频模块4输出射频信号，以实现对应的无线协议发送数据，其中，射频模块4包括多种无线协议的射频模块44，根据数据的不同需求配置相应的无线协议进行选择性切换，以实现多频无线联网。
进一步，射频模块44内包括晶振电路，提供时钟信号
在本发明的一个实施例中，射频切换开关直接连接到微控制器6的I/O接口上，通过微控制器6上的I/O高速切换射频模块44输出的TX/RX信号，平衡滤波器33使输出的射频信号更接近所需要的频段。
在本发明的一个实施例中，射频模块4至少包括以下一种：蓝牙BLE射频模块4424(如图14所示)、WIFI射频模块4414、ZIGBEE射频模块4434、Lora射频模块4444、NB-IOT射频模块4454、SUB-1G射频模块4464。基于此，本发明的多频无线联网模组2可以运行一种或多种通信协议。
具体地，该无线联网模组2可以通过其中一种协议连接到云端1，也可以通过其他的协议在无线联网模组2之间进行自组网，形成局域网。
FPGA控制芯片实现的无线联网模组，还可以应用全景图像和视频采集、拼接、渲染处理等方向。具体来说，FPGA控制芯片实现的无线联网模组可以用于某个场景+摄像机及摄像机阵列组等图形图像视频采集单元模组，实现应用全景图像和视频采集处理。参考图17所示，多台摄像机通过I2C总线连接至摄像装置阵列逻辑控制，并进一步与FPGA控制芯片进行通信，实现全景图像和视频采集。FPGA控制芯片实现的无线联网模组用于对于GPU图形图像处理单元的渲染加速与辅助单元装置，实现对全景图像和视频拼接、渲染处理等。图18为FPGA图形图像处理单元加速渲染辅助装置的示意图。参考图18，加速渲染辅助装置包括多个处理器、GPIO、MIPI和HDMI多个接口，通过DDR外部总线接口与外部芯片通信。
图19和图20分别给出了摄像机单元的结构图和电路图。下面对图19中的摄像机单元的电路进行说明。
1.PWND引脚，高电平有效。当上拉至和DOVDD电压一致的高电平时，进入节电模式,不使用时需在模组外部接地。
2.RESETB，低点平有效。置低时复位,不使用时需在模组外部与DOVDD连接。
3.AVDD为传感器模拟电源引脚，电压范围为2.6-3.0V(纹波小)。推荐接入2.8V电压。在OTP写入状态时，AVDD必须接入2.5V+-5％，但是OPT读取状态无此要求。
4.DVDD是传感器数字电源引脚，电压1.5V±5％(纹波小)。强烈建议使用内部DVDD稳压器。
5.DOVDD是传感器数字IO电源引脚，电压范围1.7V-3.0V(clean)，建议为1.8V。
6.AGND与DGND引脚应在模组内分开，在模组外PCB单点连接，不要在模组内连接。
7.电容器的位置需靠近其相应的OV5640引脚。
8.D[9:0]为传感器10bit RGB RAW输出，D[9:2]为传感器8-bit YUV/RGB/压缩信号输出。
其中，引脚定义如下：
视频输出接口共有10位，D[9:0]。当输出为10-bit RGB B raw格式时,使用D[9:0]。当输出格式为8-bit YCbCr或8-bit RGB raw和8-bit RGB 565时,使用D[9:2]。同步信号Href和Hsync使用同一引脚Href。通过SCCB设置可选择此引脚为Href或Hsync信号。SIO_C以及SIO_D总线需外接上拉电阻,标准上拉电阻阻值为5.1K欧姆。RESETB引脚低有效，且内置上拉电阻。RESETB引脚需由后端芯片控制以得到合适的上电顺序。PWDN引脚高有效，且内置下拉电阻。PWDN引脚需由后端芯片控制以得到合适的上电顺序。平衡滤波器3与射频模块4相连，用于对射频模块4输出的射频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的射频信号发送到云端1网络中。
微控制器6进一步通过外部接口10接收由云端1网络返回的执行指令，并通过外部接口10将执行指令发送至相应的外部执行器，以驱动外部执行器工作。
在本发明的一个实施例中，微控制器6设置有主模式和从模式。
在主模式下，由微控制器6完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作。
在从模式下，微控制器6通过外部接口10连接至外部的单片机，由外部的单片机完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作。
下面对本发明实施例的FPGA实现的基于多频无线联网模组2的智能头显设备的工作原理进行说明：
外部传感器将采集到的数据通过外部接口10传到微控制器6，微控制器6对采集到的进行数据分析处理。微控制器6是基于IPV6协议的操作系统，根据分析得到的数据的不同需求，向其配置不同的无线协议。
然后，微控制器6向射频切换开关发出控制指令，从而控制射频切换开关根据配置的不同无线协议，将数据切换到不同的射频模块4。
具体来说，如果采集的数据需要上传到云端1，则需配置成WIFI协议，或其他具有网络传输功能的无线协议。如果采集的数据需要进行短距离传输，而不需要网络上传，则可以配置成蓝牙(BLE)协议或者ZigBee协议。
在本发明中，IPV6协议的作用是统一应用层的标准协议，使无线信号的传输距离更远，云端1将数据处理完以后发送命令到多频无线联网模组2，由多频无线联网模组2的微控制器6将执行指令通过外部接口10发送到外部执行器去执行相应动作。
如图12所示，传感器采集到数据后通过无线联网模组2将数据发送到云端1，云端1将数据处理完后发送执行命令到无线联网模组2。由无线联网模组2的微控制器6将执行指令通过外部接口10发送到外部的继电器，由继电器执行动作。具体地，在执行指令的控制下，驱动继电器点亮LED，在上述应用中无线联网模组2配置成WIFI协议。
当有N个应用时，其中一个应用配置成WIFI+其他协议。其他应用配置成其他协议。例如，ZIGBEE、BLE、LORA、NB-IOT、SUB-1G等其中一种或多种。如果一个应用通过Wifi连接到云端1，则其他应用和这一个应用自组网，将数据和命令通过一个应用发送到网络(云端1或局域网)，反之网络上的数据和命令也通过这一个应用分发到其他应用。
需要说明的是，无线联网模组2发送至的网络，可以是云端1的网络服务器，也可以发送到本地的一个类似云端1的设备上。例如，无线联网模组2将数据发送到本地手机或其他终端设备上。
此外，如图15所示，在智能头显设备的本体上设置有：位于用户视线正前方的单/双目成像装置、位于两侧的包耳式降噪拢音耳罩装置或骨传导音频传输装置、环绕后头部的人体工学承重弹性伸缩结构装置、位于双耳侧的汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器或入耳式扬声器装置。
在本发明的一个实施例中，位于两侧的包耳式降噪拢音耳罩装置采用直径为100mm的蛋白质包耳式降噪拢音耳罩装置。
图16(a)和(b)为未采用汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器装置和采用40-50mm汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器装置瞬间頻响测试图。由图可知，采用40-50mm汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器装置可以达到明显抑制干扰的目的。
根据本发明实施例的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，通过网络配置实现一种或多种协议同时进行无线网络传输，拓展了通信渠道，通过采用SIP系统级封装技术使该无线联网模组集成度更高、尺寸更小、功耗更低。并且，多个无线联网模组之间还可以自组网，通过采用SPI接口外接单片机，可以使无线联网模组工作在从模式，或者不外接单片机，使之工作在主模式，此外增加了安全加密方案，使无线联网模组的安全性得到了很大的提高。
此外，本发明通过FPGA实现的多频无线联网模组及其Turbo码信道自适应算法，仿真结果表明，通过该方案构造的FPGA实现的Turbo码译码器的纠错性能没有明显下降，但是译码速度得到大大提升。并且，并且该算法对应的FPGA设计结构简单，资源消耗量小，用FPGA硬件实现得到的电路运行频率高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，包括：智能头显设备本体和封装于所述智能头显设备本体内部的FPGA控制芯片，其中，所述FPGA控制芯片用于实现多频无线联网模组，包括：微控制器、存储单元、射频模块、射频转换开关、平衡滤波器、电源单元和外部接口，其中，
所述电源单元与所述微控制器、存储单元、射频模块、平衡滤波器和外部接口相连，以在所述电源单元的供电下驱动工作；
所述微控制器与所述外部接口双向连接，以通过所述外部接口接收来自外部传感器采集的数据，并对采集的数据进行分析处理，根据数据的不同需求配置相应的无线协议，根据配置后的无线协议，向所述射频转换开关发送控制指令；
所述存储单元与所述微控制器的输入端与相连，用于存储所述微控制器运行过程产生的数据及通过网络传送来的数据、微控制器程序升级或恢复的代码；
所述射频转换开关与所述微控制器的输出端相连，用于根据所述微控制器的控制指令切换至相应的射频模块，由所述射频模块输出射频信号，以实现对应的无线协议发送数据，其中，所述射频模块包括多种无线协议的射频模块，根据所述数据的不同需求配置相应的无线协议进行选择性切换，以实现多频无线联网；
所述平衡滤波器与射频模块相连，用于对射频模块输出的射频信号进行滤波处理，并将滤波处理后的射频信号发送到云端网络中；
其中，所述微控制器进一步通过外部接口接收由所述云端网络返回的执行指令，并通过所述外部接口将所述执行指令发送至相应的外部执行器，以驱动所述外部执行器工作。
2.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述射频模块至少包括以下一种：蓝牙BLE射频模块、WIFI射频模块、ZIGBEE射频模块、Lora射频模块、NB-IOT射频模块、SUB-1G射频模块；
所述外部接口至少包括以下一种或多种：SPI接口、GPIO接口、I2C接口。
3.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，还包括：安全加密模块，所述安全加密模块与所述微控制器通过I2C接口相连，用于对所述微控制器的通信数据进行安全加密。
4.如权利要求3所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述微控制器、存储单元、射频模块、射频转换开关、平衡滤波器、电源单元、安全加密模块和外部接口采用SIP系统级封装技术，封装在所述FPGA芯片内。
5.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述微控制器设置有主模式和从模式，其中，
在所述主模式下，由所述微控制器完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作；
在所述从模式下，所述微控制器通过所述外部接口连接至外部的单片机，由外部的单片机完成数据分析、无线联网通信、对外部执行器的驱动动作。
6.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述微控制器采用Turbo码信道算法对数据进行编码处理，其中，所述微控制器采用提前停止迭代对方式实现Turbo码信道算法，包括：
在每次迭代结束之后进行硬判决；
将本次迭代硬判决得到的比特序列与上次迭代硬判决得到的比特序列相比较，其中，原始比较序列由译码之前直接硬判决产生；
计算两个序列不相同的比特数，当判断两个序列不相同的比特数为0，停止迭代并输出结果。
7.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述微控制器的操作系统基于IPV6技术协议实现。
8.如权利要求1-7任一项所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，在所述智能头显设备的本体上设置有：位于用户视线正前方的单/双目成像装置、位于两侧的包耳式降噪拢音耳罩装置或骨传导音频传输装置、环绕后头部的人体工学承重弹性伸缩结构装置、位于双耳侧的汝铁硼动圈虚拟空间声场扬声器或入耳式扬声器装置。
9.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述外部传感器至少包括以下一种：气压传感器、光感传感器、地磁、角度传感器、加速度传感器、温度传感器、湿度传感器、心率传感器、血氧脉搏传感器和体温传感器。
10.如权利要求1所述的FPGA实现的基于多频无线联网模组的智能头显设备，其特征在于，所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组，进一步用于应用全景图像和视频采集、拼接、渲染处理，包括：所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组针对场景，通过图形图像视频采集单元模组实现应用全景图像和视频采集处理；所述FPGA控制芯片实现的无线联网模组用于对于GPU图形图像处理单元的渲染加速与辅助单元装置，实现对全景图像和视频拼接、渲染处理。
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