CN112003909B

CN112003909B - 平台化的智能终端系统及其实现方法

Info

Publication number: CN112003909B
Application number: CN202010796429.1A
Authority: CN
Inventors: 姚钢; 刘�东; 周荔丹; 陈飞
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2040-08-10
Also published as: CN112003909A

Abstract

一种平台化的智能终端系统及其实现方法，包括：基于精简指令集(RISC‑V)原则的开源指令集架构且具有微控制单元(MCU)的主板、片上系统的现场可编程逻辑器件(Soc FPGA)、高速计算板卡、传感器组合、无线通讯模块、有线通讯模块和电源模块，其中：中低速的有线通讯模块、无线通讯模块以及传感器组合分别与主板和SoC FPGA相连，SoC FPGA与主板之间通过排线相连，SoC FPGA与计算板卡通过PCIE相连接。本发明通过构建软硬件可重构、可编程、面向多应用场景自主适应的平台化多类型智能终端系统，提升终端处理信息的能力；采用MCU+FPGA+PCRAM的架构，并给出智能终端低功耗运行的电能管理技术，集数据高效处理、低功耗运行于一体。

Description

平台化的智能终端系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种物联网领域的技术，具体是一种平台化的智能终端系统及其实现方法。

背景技术

现有的智能终端虽然为日常生活提供了诸多方便，但也存在诸如软硬件难以重构的问题，其导致智能终端种类繁多，智能终端基础硬件设施的碎片化；对于规模化的信息难以做到智能感知、交互协同，导致终端处理信息的效能难以进一步提升；在低速率、低数据量类型的超低功耗物联网终端装置中，普遍存在着供电困难、超长待机与运行的能耗难题。

发明内容

本发明针对当前智能终端基础硬件设施碎片化、难以重构、终端处理信息的效能较低、难以实现超长待机等问题，提出一种平台化的智能终端系统及其实现方法，通过构建软硬件可重构、可编程、面向多应用场景自主适应的平台化多类型智能终端系统，解决智能终端基础硬件碎片化问题；同时对现有物联网架构进行创新，提出新型四层架构，提升终端处理信息的能力；采用MCU+FPGA+相变存储器(PCRAM)的架构，并给出智能终端低功耗运行的电能管理技术，集数据高效处理、低功耗运行于一体；进行环境微能源的收集，实现多类型能源对终端的复合供电，解决能耗难题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种平台化的智能终端系统，包括：基于精简指令集(RISC-V)原则的开源指令集架构且具有微控制单元(MCU)的F0板卡、混合可编程片上系统(SoC FPGA)、高速计算板卡、传感器组合、中低速和高速无线通讯模块、中低速有线通讯模块、相变存储器(PCRAM)和电源模块，其中：中低速有线通讯模块、中低速无线通讯模块、电源模块以及传感器组合分别与F0板卡相连并构成低端底板；高速计算板卡、PCRAM以及高速无线通讯模块分别与混合可编程片上系统相连并构成中高端底板；中高端底板与低端底板之间通过排线相连。

技术效果

本发明整体解决了面向多源传感信息感知、运算、融合功能的开源、可重构终端研制的技术问题。

与现有技术相比，本发明具备多源传感信息感知、运算、融合功能，适用于多种应用场景，信息处理效能比现有三层架构高出35％，且可以实现实现低功耗、低速率场景下的10年待机目标。

附图说明

图1为本发明所提供的智能通用终端详细设计方案示意图；

图2为本发明所提供的可编程、可剪裁、可重构的片上系统结构示意图；

图3为本发明所提供的智能终端低功耗运行的电能管理技术示意图。

具体实施方式

本实施例涉及一种基于MCU+SoC FPGAs架构的平台化的智能终端系统，具有开源、软硬件可重构、可编程、面向多应用场景自主适应的平台化多类型特点，解决智能终端基础硬件碎片化问题；同时对现有物联网架构进行创新，提升终端处理信息的能力；采用MCU+FPGA+PCRAM的架构，并给出智能终端低功耗运行的电能管理技术，集数据高效处理、低功耗运行于一体；进行环境微能源的收集，实现多类型能源对终端的复合供电，解决能耗难题。该系统的设计主要包含四个模块：基于MCU+SoC FPGAs架构的智能终端通用硬件平台设计与开发，面向数据规模化处理的混合可编程片上系统(SoC FPGA)设计，智能终端低功耗、高效数据处理与存储一体化硬件技术以及智能终端平台硬件系统测试、评估和优化策略。

对于智能终端通用硬件平台设计与开发，在MCU+SoC FPGAs的混合系统架构下，开源、软硬件可重构、可编程。在总体架构上，突破现有物联网三层构架，构建智能感知层、基于SoC FPGA阵列规模化数据处理能力的数据运算和融合层、基于通讯数据的传输层和支持多源信息融合的本地应用层，多模块灵活组合构建新型四层构架的多功能、多层级智能终端。

对于面向数据规模化处理的混合可编程片上系统(SoC FPGA)设计，通过面向多源感知信息融合海量数据智能处理需求，分析可编程片上系统(SoPC)的配置需求。如图2所示，SoC FPGA内部采用MCU、DSP软核和嵌入式硬核的联合运行模式；以自主国产SoC FPGA+PCRAM为核心进行优化和升级，形成多层级多类型SoC芯片。

如图1所示，为本实施例涉及的一种平台化的智能终端系统，包括：低端底板和与之通过排线连接的中高端底板，其中：低端底板基于精简指令集(RISC-V)原则的开源指令集架构且具有微控制单元(MCU)的F0板卡以适用于低端场景，F0板卡上设有中低速有线通讯模块、中低速无线通讯模块、传感器组合以及电源模块。

所述的中低速无线通讯模块采用MINI PCIE标准接口，模块可更换，支持4G、LoRa、Wi-Fi和蓝牙协议。

所述的中低速有线通讯模块采用RS485，IIC，SPI采用连接器对插的形式；低速本地通信有线采用固定接口。

所述的MCU采用可更换形式设计，采用插卡的形式安装。

所述的中高端底板包括：PCRAM以及SoC FPGA，其中：PCRAM挂在中高端板卡的SoCFPGA上，采用地址数据复用方式访问；SoC FPGA和MCU之间采用并行总线连接。

所述的中高端底板上进一步设有作为高速无线通讯模块的4G模块、5G模块以及用于视频处理和5G通信的板卡，其中：5G模块并采用M.2标准接口、4G模块采用mini PCIE接口，模块可更换，支持以太网接口。

所述的SoC FPGA上设有两个Flash以进行软硬件的配置和升级。

所述的中高端底板上进一步设有两个用于计算加速的高速计算板卡。

本实施例涉及上述系统的实现方法，包括：

步骤1)通用硬件平台设计与开发智能终端，以两块印制电路板拼接的形式组成智能终端的整机：一块印制电路板适用于低端应用场景，另一块印制电路板适用于中高端应用场景，两者采用并行总线连接，具体为：

适用于低端应用场景的F0板卡的远程无线通信模块采用MINI PCIE标准接口，模块可更换，支持NBIOT、LoRa、Wi-Fi、蓝牙协议；有线接口如RS485，IIC，SPI采用连接器对插的形式；低速本地通信有线采用固定接口，无线通信比如蓝牙，微功率无线，LoRa采用可更换模块形式；F0处理器和计算单元采用可更换形式设计，采用插卡的形式安装装置内；PCRAM挂在中高端板卡的SoC FPGA上，采用地址数据复用方式访问；

适用于中高端应用场景的混合可编程片上系统的5G模块采用M.2标准接口，4G模块采用mini PCIE接口，模块可更换，支持以太网接口；混合可编程片上系统上连有两个Flash，用以进行软硬件的配置和升级；连有两个计算板卡，用于计算加速；为适应中高端应用的需求，还连接了用于视频处理和5G通信的板卡。

所述的混合可编程片上系统内部采用开源MCU、DSP软核和嵌入式硬核的联合运行模式；采用MCU+FPGA+PCRAM架构，形成开源、可编程、可剪裁、可重构的多功能SoPC系统。

所述的混合可编程片上系统中的外存原型系统，由PCRAM和FLASH组成，采用SPI接口；混合可编程片上系统中的内存原型系统，基于LOCALBUS接口，由PCRAM和RAM组成，可以方便的挂接在任何的开源MCU外部总线上；

所述的混合可编程片上系统，基于SIP技术实现集成封装，形成面向规模化运算的片上系统。

所述的电源模块，在智能终端的运行环境下，进行空间电磁能量的收集与复合式微振动能量的收集，完成多类型能源的复合供电；

所述的智能终端，采用基于LPDDR接口的RAM+PCRAM混合内存原型系统，具有RAM的高速和PCRAM非易失的特点，以及基于SPI总线的PCRAM+FLASH混合外存原型系统，具有PCRAM高速读写和FLASH大容量、低成本的特点，再基于SIP技术把SoC FPGA和PCRAM集成封装到一个芯片中，形成面向规模化运算的片上系统。进行空间电磁能量的收集与复合式微振动能量的收集，形成多类型能源的复合供电。同时提出智能终端的电能优化管理策略，如图3所示。

步骤2)智能终端的运行模式包括：连接模式、PSM模式、IDLE模式，具体为：在工作时，终端处于连接模式，各个模块均投入运行；若在10秒后没有数据交换，则NB-IoT终端进入IDLE模式，此时部分模块断电，部分模块处于随时被调用的状态；若20秒后仍无数据交换，则NB-IoT终端进入PSM模式，此时各模块均属于睡眠或断电状态；若连续24小时无数据上发，则NB-IoT终端重新进入连接模式。

对于智能终端平台硬件系统测试、评估和优化策略，基于在环实时动态仿真工具，构建多应用场景驱动的物联网自主智能处理一体化终端在环测试软硬件平台，动态测试硬件系统的功能完整性、外部扰动稳定性和动态响应特性，建立完整的硬件系统测试体系，为应用场景驱动定制化智能终端的工程应用提供理论依据。具体包括一套物联网自主智能处理一体化终端在环测试软硬件平台，可针对终端能耗、可靠性等多类型功能、性能进行模拟、评估和测试，可以应用于以下场景：模拟新能源发电系统数据采集、分析、预测和交易环境；模拟交通环境视频采集和流量控制场景；模拟工厂或风景区环境参数，包括：PM2.5、PM10、污水水质监测、噪音等参数的监测、识别、定位与管控；模拟楼宇水、电、煤、气、冷热等参数低速率、低数据量的测量环境。

经过具体实际实验，采用不同的架构进行24点FFT基波计算并存储50秒数据时，使用ARM(Cortex-M0)+FLASH架构运行时的功耗为4447mJ，而采用RISC-V MCU+PCRAM的架构运行时的功耗为2740mJ，RISC-V MCU+PCRAM的架构相对于ARM(Cortex-M0)+FLASH的架构功耗降低了38.4％。与现有技术相比，本装置信息处理效能比现有三层架构高出35％，功耗降低35％以上。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims

1.一种平台化的智能终端系统，其特征在于，包括：基于精简指令集原则的开源指令集架构且具有微控制单元的F0板卡、混合可编程片上系统、高速计算板卡、传感器组合、中低速和高速无线通讯模块、中低速有线通讯模块、相变存储器和电源模块，其中：中低速有线通讯模块、中低速无线通讯模块、电源模块以及传感器组合分别与F0板卡相连并构成低端底板；高速计算板卡、PCRAM以及高速无线通讯模块分别与混合可编程片上系统相连并构成中高端底板；中高端底板与低端底板之间通过排线相连。

2.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的中低速无线通讯模块采用MINI PCIE标准接口，模块可更换，支持4G、LoRa、Wi-Fi和蓝牙协议。

3.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是所述的中低速有线通讯模块采用RS485，IIC，SPI采用连接器对插的形式；低速本地通信有线采用固定接口。

4.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是所述的MCU采用可更换形式设计，采用插卡的形式安装。

5.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的PCRAM采用地址数据复用方式访问。

6.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的高速无线通讯模块包括：4G模块、5G模块以及用于视频处理和5G通信的板卡，其中：5G模块并采用M.2标准接口、4G模块采用mini PCIE接口，模块可更换，支持以太网接口。

7.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的混合可编程片上系统上设有两个Flash以进行软硬件的配置和升级以及两个用于计算加速的高速计算板卡。

8.根据权利要求1所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的混合可编程片上系统内部采用开源MCU、DSP软核和嵌入式硬核的联合运行模式；采用MCU+FPGA+PCRAM架构，形成开源、可编程、可剪裁、可重构的多功能SoPC系统。

9.根据权利要求1或7或8所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的混合可编程片上系统，基于SIP技术实现集成封装，形成面向规模化运算的片上系统。

10.根据权利要求1至8中任一所述的平台化的智能终端系统，其特征是，所述的智能终端的运行模式包括：连接模式、PSM模式、IDLE模式，具体为：在工作时，智能终端处于连接模式，各个模块均投入运行；当在10秒后没有数据交换，则智能终端进入IDLE模式，此时部分模块断电，部分模块处于随时被调用的状态；当20秒后仍无数据交换，则智能终端进入PSM模式，此时各模块均属于睡眠或断电状态；当连续24小时无数据上发，则智能终端重新进入连接模式。