专利名称：基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种短距离低功耗的无线通信芯片的设计和实现方法，属于普适计算，嵌入式系统和无线通信的交叉领域。
背景技术：
人机交互的发展历史是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展史，它经历了几个阶段手工作业阶段、图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)阶段、网络用户界面的出现、多通道和多媒体的智能人机交互阶段。
在早期的手工作业阶段，交互的特点是由设计者本人(或本部门同事)来使用计算机，他们采用手工操作和依赖机器(二进制机器代码)的方法去适应现在看来是十分笨拙的计算机。
在作业控制语言及交互命令语言阶段，计算机的主要使用者(程序员)可采用批处理作业语言或交互命令语言的方式和计算机打交道，虽然要记忆许多命令和熟练地敲键盘，但已可用较方便的手段来调试程序，了解计算机执行情况。
图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)阶段主要特点是桌面隐喻(Window/Icon/Menu/Pointing Device，WIMP)、直接操纵和所见即所得(What You See Is WhatYou Get，WYSIWYG)，由于GUI简明易学，减少了敲键盘，实现了事实上的标准化，因而使不懂计算机的普通用户也可以熟练地使用，开拓了用户人群，它的出现使信息产业得到空前的发展。
在网络用户界面的出现时，以超文本标记语言(Hypertext Markup Language，HTML)及超文本传输协议(Hypertext Transfer Protocol，HTTP)为主要基础的网络浏览器是网络用户界面的代表由它形成的WWW网已经成为当今Internet的支柱这类人机交互技术的特点是发展快，新的技术不断出现，如搜索引擎、网络加速、多媒体动画、聊天工具等。
在多通道和多媒体的智能人机交互阶段，以虚拟现实为代表的计算机系统的拟人化和以手持电脑、智能手机为代表的计算机的微型化、随身化、嵌入化，是当前计算机的两个重要的发展趋势。而以鼠标和键盘为代表的GUI技术是影响它们发展的瓶颈。利用人的多种感觉通道和动作通道(如语音、手写、姿势、视线、表情等输入)，以并行、非精确的方式与(可见或不可见的)计算机环境进行交互，可以提高人机交互的自然性和高效性。多通道和多媒体的智能人机交互对我们既是一个挑战，也是一个极好的机遇，目前在人机交互领域中的研究已取得了很多的进展。
处在智能人机交互时代，本发明将目光瞄准了正在兴起的普适计算与无线传感器网络。本发明基于普适计算的思想，充分利用了无线传感器网络的优点，实现了泛在的、不依赖于特定计算机或特定系统、更具人性化的人机交互模式。
随着信息技术的飞速发展，无线传感器网络正成为传感器领域内一个新兴的研究方向，它是一种全新的信息获取和处理技术。同时，随着无线传感器网络技术的成熟，普适计算也渐渐成为现实.通过普适计算，人们可以随时随地获得所需要的各种信息。这些技术的应用，将给人们的生活带来前所未有的便利。本发明以此为研究背景。
作为无线传感器网络平台的硬件载体，无线传感器芯片的设计需要遵循微型化，低功耗，扩展性强，稳定性高，安全性好，成本低等众多因素。然而，作为一种新兴出现的技术，建立一个运转良好、鲁棒性好的无线传感器网络还是面临着许多挑战。而且由于它的一些独特特性，无线传感器网络的设计方法与现有无线网络的设计方法有很大不同。例如，由于传感器网络中的传感器芯片分布密集，所以需要大范围的数据管理和处理技术。除此之外，电源消耗也是一个很重要的问题，无线传感器芯片作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下，更换电源是近乎不可能的。这使得传感器芯片的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题。
发明内容
技术问题本发明的目的是提出一种网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法。该芯片命名为IDEA芯片(IDEA指的是“智能、创新点”的涵义，因此命名)。最终目的是开发出高性能，较强自适应能力，极高集成度的网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片。
技术方案本发明提供了一种网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法。该方法构建一种高性能低功耗的无线传感器网络硬件载体，芯片的设计和实现不仅在功能上满足了传感器网络的一般的数据传输，状态控制，实时监控，自主定位等一系列功能，同时，在芯片集成度方面有了很大提高，进一步降低了芯片的能耗，加强了芯片的自主定位能力，改进了芯片的自我性能监控和自我维护的方式与方法，并可通过芯片间的信息交互识别出各个芯片自身所带有的固定标识号。
本发明所提出的一种网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法，芯片由实时感知外部传感信息并能够进行传感数据传输和控制的装置构成。
网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片，又称IDEA芯片。
IDEA芯片分为IDEA—Send芯片(接收芯片)和IDEA—Receive芯片(发送芯片)两种芯片。IDEA—Send芯片装置包括了中央主控处理模块，短距离高频无线通信模块，底层能量供应模块；IDEA—Receive芯片装置包括了中央主控处理模块，短距离高频无线通信模块，底层能量供应模块和外部接口转换模块。上述几个模块通过片上系统软件有机调用，进行 传感数据传递，信息处理，状态监控，实时控制等一系列工作。IDEA—Receive芯片的模块组成图如图1—1所示，IDEA—Send芯片的模块组成图如图1—2所示。
下面为本发明给出几个具体部分的说明 中央主控处理模块中央主控处理模块是整个IDEA芯片的核心部分，负责整个IDEA芯片的设备控制，任务分配与调度，数据的整合与转储等多个关键任务，包括控制芯片数据和信息的收发操作以及对收发速率，编码格式，收发频率等进行有效控制；数据加密和安全保障；功耗的管理与控制以及模式转换等。本发明中，采用了高集成，低功耗，精简指令集的8位微处理器，采用了先进的Harvard总线技术，使得整个IDEA的处理速度和准确度大为提高。同时，整个芯片也拥有很强的可扩展性，提供了多个I/O接口，即有利于芯片的功能扩展，也为后续产品的开发打下基础。
无线通信模块短距离高频无线通信模块主要负责无线信号的收发，即与其他IDEA芯片进行无线通信，将本芯片所带的信息和其他芯片进行交换。本发明使用了先进的事件驱动型嵌入式操作系统，芯片之间通过消息循环和消息调度来实现准确定位和建立通信连接。为了实现高频传输的高可靠性，低误码率，高实时性以及传输距离的要求，本发明采用了符合IEEE802.15.4标准的无线射频芯片作为通信模块的主要部分。工作频段300MHZ-1GHZ之间，并可以通过其内部的寄存器设置，灵活调整工作频段，适应性强。IDEA芯片设计的工作频段为900MHZ，并可以根据实际情况做相应调整。采用FSK调制方式，NRZ，曼彻斯特，UART可选编码方式，以0.6Kbaud/s-76.8Kbaud/s的可选数据传输率。模块外部使用SPI接口和中央主控处理模块相连。
外部接口转换模块IDEA—Receive芯片上的串口转USB模块主要负责将芯片带有的信息通过USB接口传递给计算机，并且同时给IDEA—Receive芯片供应能量。本发明考虑到传统的芯片通过串口与计算机相连实现数据传输，由于器材等多方面的限制，给使用者造成了很多不必要的麻烦，所以利用串口转USB芯片，实现了芯片与计算机通过USB接口连接。
底层能量供应模块底层能量供应模块为IDEA芯片提供运行所需要的全部能量。在本发明中，即可以使用外部JTAG(Joint Test Action Group)或者USB(Universal Serial Bus)进行供电，也可以使用芯片自身电源进行电源供给。在自身电源的选择上，本发明采用了小巧轻便的锂电池。
IDEA芯片的实现方法所包含的步骤为 步骤1)规划IDEA芯片所需完成的总体功能和基本性能指标芯片需完成实时数据采集、实时监控、信号处理、数据传输、自主定位多种功能，要求具有高系统可靠性和高集成度，较好的实时分析与处理能力，数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件； 步骤2)确定IDEA芯片的输入输出芯片将从网络内其它芯片传送过来的数据作为输入，将由这些数据所确定的唯一芯片标识在用户终端显示作为输出； 步骤3)明确芯片数据特性芯片信号传输于可变频的300MHZ-1000MHZ的通用高频段，拥有多个固定的频点。频率调制可以通过编程改变频率字寄存器的值来实现，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可调数据传输率，内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码； 步骤4)芯片的执行方式与功能实现采用JTAG编程器进行芯片程序的在线仿真与调试，提供串口，并口下载方式，芯片下载了应用程序以后，即可执行操作，并在终端控制平台的控制与监视下，完成应用任务； 步骤5)进行芯片的基本构架设计芯片基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层、设备驱动层、嵌入式系统内核、应用系统层； 步骤6)芯片设计方案的描述系统采用自顶向下的方法将本芯片的功能部件进行模块划分，主要包括中央主控处理模块、用户界面接口、高频无线通信模块以及能量供应模块； 步骤7)设计中央主控处理模块中央主控处理模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输； 步骤8)设计高频无线通信模块芯片的高频无线通信模块包括了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器，模块将传感信息，以无线频谱的方式，在300MHZ-1000MHZ的频段上进行传输，同时，接收来自自组织网络内其它芯片的传感信息传递，并实时与基站芯片进行沟通； 步骤9)设计能量供应模块能量供应模块为上述各个模块提供能源供给，针对系统的发送、接收、休眠、待机四种不同的工作方式，提供了相对应的能源供给方式； 步骤10)芯片外围器件的选取根据芯片自身特点和无线传感器网络的自身要求，芯片的外围器件，实现了作为自组无线网络中的芯片的功能，这些器件包括可数字化I/O器件、外部存储器件、外部晶振系统、有源天线； 步骤11)芯片的电路设计与实现芯片电路采用数字化标准设计，元件均采用0603型的贴片式封装，芯片与PC串口的连接之间实现了TTL信号和RS-232信号之间的转换；主控芯片建立了高速信号和低速信号之间的缓冲，芯片采用四层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行； 步骤12)芯片模块间的接口设计芯片接口主要由三大部分组成，分别是串行配置总线连接部分，双向同步数据信号连接部分，以及可选的测试部分； 步骤13)芯片的电源设计芯片提供了4种可变的工作模式，分别是睡眠模式，发送模式，接收模式，省电模式，同时，设计了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控； 步骤14)芯片的功耗管理设计芯片的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化； 步骤15)芯片的可扩展性设计芯片在设计过程中，预留了充分的接口，包括超过30个主控模块输入输出接口，以便今后的调用和扩展； 步骤16)芯片的可靠性与抗干扰性设计芯片在高频部分设计加载滤波电容，在IC上并接高频电容，采用密集布线以减少高频噪声发射；在传播路径抑制方面，芯片设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/O口与噪声源之间加以隔离，同时，将干扰源与敏感器件分离； 步骤17)芯片的系统软件设计芯片的系统软件控制所有实时任务协调一致运行，系统根据任务要求，进行资源管理，消息处理，任务调度，异常处理，并分配优先级，系统根据各个任务的优先级，进行动态切换和调度； 步骤18)芯片的软件可靠性设计芯片设计中采用抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法，采用精简指令系统； 步骤19)芯片的软件调试芯片使用AVR Studio进行软件调试，允许用户进行AVR在线实时仿真或模拟，同时，芯片支持主流的无线传感器操作系统平台，支持.hex，.elf，.cof，.ihex，.srec多种文件格式； 步骤20)芯片的系统级软件仿真芯片采用VMLAB进行系统级软件仿真，在软件仿真阶段，通过软硬件平台的搭建，虚拟了一个芯片实际运行的仿真环境，通过仿真环境，可以明确芯片的功能实现； 步骤21)芯片的系统级硬件仿真芯片使用JTAG在线仿真器完成硬件仿真，通过烧制平台，将应用程序烧制到芯片中，完成应用功能； 步骤22)芯片应用程序的下载与执行芯片设计使用JTAG下载，JTAG下载主要通过JTAGICE进行。
有益效果现有基于桌面的人机交互模式依赖于特定计算机或特定系统，难以适应用户可能在不同地点和环境使用多台计算机进行工作的情况等，为此，研究和实现一种网络环境下基于身份识别的泛在智能人机交互芯片，有利于减少人机交互的显在信息输入，将实现泛在的、不依赖于特定计算机或特定系统而更具人性化的智能人机交互模式，该芯片能够实际地应用在人们日常生活和工作中，使人们可以在网络环境下透明地获得计算机提供的特定服务。作为身份识别功能的主要实现者以及用户泛在环境的提供者，IDEA芯片承担了大部分的控制，传输和监控工作。具有以下一些优点和有益成果 较高的系统集成度由于作为实际应用的IDEA芯片受到外形尺寸的限制，处理器模块必须能够集成更多的芯片的关键部件，如动静态存储器，ADC转换器，定时计数器等。IDEA芯片采用了8位RISC结构的高性能，低功耗的微处理器，集成了包括上述部件在内的众多外部设备，拥有很强的可扩展性。
较低的系统能量消耗作为整个芯片的关键部件，处理器的功耗一般很大。而在无线网络中，没有持续的能源供给，这就要求芯片的设计必须将节能作为一个重要因素来考虑。IDEA芯片的能量供给采用了外部电源和基站供电相结合的方式，提供了包括空闲模式，ADC降噪模式，掉电模式，省电模式，等待模式等多种电源管理方式。并且能够使芯片在整个运行过程中，主动地进行状态的转换，从而十分有效地降低了芯片的能耗，延长了芯片的使用寿命。IDEA各个模块的能量消耗情况如图2所示。
较快的运行速度由于无线传感器网络对于芯片的实时性要求很高，这就需要处理器实时处理的能力要强大。包括处理器内部的总线结构，寻址方式，指令流水线等的设计都需要以此为目标。IDEA的处理器采用了程序存储器与数据存储器使用不同的存储空间和存取总线的Harvard结构，取指令和程序执行同时进行，大大节约了开销。同时，硬件乘法器只需要两个时钟周期，工作于16MHz时，性能可以高达16MIPS。系统ALU与32个通用工作寄存器直接连接，在一个系统时钟周期内，ALU即可完成一次运算操作。
方便的对外接口传统的传感器芯片一般通过串口与计算机连接，这给一些没有串口线或计算机上没有串口的用户带来了很多不便。因此本发明在需要与计算机相连的IDEA—Receive芯片上采用了USB接口，使得芯片的使用更加的方便。
较低的硬件制作成本作为网络化的无线设备，传感器芯片应当遍布于网络各处，如果单个芯片成本过高，必然会影响整个网络化的布局。本发明的IDEA芯片的主要部分采用双层板布线策略，整体布线合理，内部元件具有较高的性能价格比，使得芯片整体的制作成本降低。
图1—1是IDEA—Receive芯片的整体模块组成图，表示该芯片系统基本模块组成。
图1—2是IDEA—Send芯片的整体模块组成图，表示该芯片系统基本模块组成。
图2是IDEA各个模块的能量消耗情况对比图，显示了组成本发明的各个能耗部分的耗能情况和对比。
图3是IDEA芯片详细的结构划分图。表示了本芯片详细的模块结构和各个部分之间的协同关系。
具体实施例方式 IDEA芯片
具体实施例方式 本发明的IDEA芯片以中央主控处理模块为中心，底层能量供应模块的输出端接中央主控处理模块的输入端，短距离高频无线通信模块与中央主控处理模块双向联通，中央主控模块的输出端接外部接口转换模块的输入端；其中，短距离高频无线通信模块包括射频芯片、外部天线，外部接口转换模块包括串口转USB芯片、USB接口，底层能量供应模块包括JTAG供电、外部电源供电、USB接口供电。
IDEA无线传感器网络硬件平台具体实现方式和开发步骤为 (1)本发明在对无线传感器网络领域进行深入具体研究的基础上，明确传感器芯片所需要完成的总体功能和基本的性能指标。针对实际应用的需求，IDEA芯片需要完成实时监控，信号处理，数据传输，信息融合，预警控制，芯片自主定位等多种功能。为了达到上述的各项基本功能，IDEA芯片具有了较高的系统可靠性和集成度，较好的实时分析与处理能力，准确的数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件。
(2)明确芯片应用所必须达到的技术指标。芯片为用户提供方便灵活的输入输出控制功能，芯片的输入包括程序烧制，功能选择与终端控制，芯片的输出包括数据采集，信息显示。芯片信号传输于可变频的300MHZ-1000MHZ的通用高频段，具体的工作频点可以通过软件来实现。采用0.6KBaud/s—76.8KBaud/s的可调数据传输率。内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码。为实现功能，芯片采用JTAG编程器进行程序的在线仿真与调试，同时提供了串口，并口与USB口的烧写方式。芯片下载了相关应用程序以后，即可执行相关操作，并在终端控制平台的控制与监视下，完成应用任务。
(3)芯片的基本构架设计。
芯片的基本构架遵循了一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展。芯片基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层，设备驱动层，嵌入式系统内核，应用系统层。
a)功能部件层 功能部件层是整个芯片的底层平台与硬件基础。包括了芯片所有的硬件模块组成与系统底层调用的集合。将芯片的各个组成模块进行综合并协调工作。同时，定义了芯片的总线单元，中断系统。
b)设备驱动层 设备驱动层为底层物理部件提供设备驱动功能与策略。实际应用中的传感器芯片需要工作于多种模式下，状态转换频繁，能耗控制要求高。本层的作用就是以设备驱动模块的形式，对芯片的部件运行做全面调度。
c)嵌入式系统内核 嵌入式系统内核在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式方法，同时为上层应用提供功能服务。系统内核基于实时操作系统的管理调度策略，同时针对传感器芯片的特殊需要，改进了中断控制策略，进程调度策略以及存储管理策略。
d)应用系统层 应用系统层为终端用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。完成芯片的启动，运行，状态迁移，数据采集，信息处理，信号传输，能耗预警，程序下载等一系列应用功能。
(4)进行芯片设计方案的描述。
芯片采用自顶向下的方法，将芯片的功能部件进行模块划分。主要包括中央主控处理模块，用户界面接口，高频无线通信模块以及能量供应模块。
a)中央主控处理模块 芯片的中央主控处理模块是整个芯片的核心模块，进行系统全局调度以及与用户进行交互。模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输。
b)用户界面接口 用户界面接口为用户提供了选择，控制以及信号传输方式的选取等诸多服务。通过与中央主控模块的交互，实现用户的多种功能需要。并可以将芯片间传输的信息传输至用户终端。
c)高频无线通信模块 高频无线通信模块包括了低噪声放大，混频，滤波，调制解调等多个操作步骤，将传感信息，以无线频谱的方式，在相应的频段上进行传输，同时，接收来自自组织网络内其它芯片的传感信息传递，并实时与基站芯片的沟通。
d)能量供应模块 能量供应模块为上述所有模块提供能源供给，针对系统的四种工作方式，提供了相对应的能源供给方式。在用户切换芯片的工作状态时，系统将自动调用相应的能量供给方式，使芯片工作在相应的模式下。
芯片内各个模块的层次划分与相互调用关系如图3所示。
(5)实施IDEA的总体结构设计。根据芯片的规模和硬件平台的复杂程度，采用了分块式的结构设计方式。将芯片整体按照功能进行划分。包括了微处理器模块，无线射频收发模块和电源供给模块。在实际设计过程中，每一个模块都对应了相应的集成电路系统，并最终通过系统总线相连接，完成IDEA芯片的整体功能的实现。
(6)接下来的步骤是进行芯片的硬件结构的设计。在实际操作中，采用了软硬件并行开发的协同设计技术。硬件结构设计中包括了这样几个方面与步骤 a)微处理器的选择 微处理器是整个IDEA芯片的系统核心部件，直接决定了整个芯片的功能和性能。同时，不同封装形式的处理器芯片，也会直接影响到芯片的物理尺寸和重量。因此，在微处理器的选择上，本发明主要考虑了性能和封装两个方面的因素。IDEA芯片采用了Atmel的先进的8位RISC微处理器——ATmega128L作为芯片的处理器芯片。在AT90系列处理器的基础上增加了2个时钟的硬件乘法器，并且可以通过芯片上的BOOT区实现程序的在线自编程，具有2线的IC接口和8路10位的A/D转换器，并且增加了JTAG仿真，下载接口，提高了芯片的开发效率。
b)外围器件的选择 根据本发明芯片自身的特点和无线传感器网络的自身要求，本发明的外围器件的选择，基本实现了作为自组无线网络中的芯片的所有功能。这些器件包括可数字化I/O器件，外部存储器件，A/D转换器件以及其他功能部件。
c)高集成，高效率的电路设计 在IDEA的电路设计中，充分体现了软硬结合的观点。为了提高芯片的可靠性以及为后续开发做准备，芯片中许多使用硬件可以完成的功能也可以由软件来完成。用软件来实现硬件的功能可以有效地减少硬件开发电路，但是响应时间比单独使用硬件的实现要长，而且占用CPU的执行，算法的实现往往比较复杂。在本发明的芯片开发过程中，充分考虑了软硬件的综合与衔接情况。
本发明在电路设计中，从集成模块，到基本元件，都尽可能采用典型的器件，促进了硬件系统的标准化和模块化。同时，全面规划了芯片的软硬件资源，在进行开发的过程中充分考虑了芯片的可扩展性，从而有利于芯片的二次开发。
由于涉及了基站芯片与PC之间的通信等一系列不同单元电路之间的接口连接与数据传输，本发明在这些方面充分考虑了信号的兼容性。芯片与PC串口的连接之间实现了TTL信号和RS-232信号之间的转换；主控芯片由于需要实时处理和分析来自分布在网络中的各个芯片的信息和数据，因此也建立了高速信号和低速信号之间的缓冲。
d)模块间的接口设计 本发明的两大基本模块——无线通信模块与中央主控模块的接口设计主要由三大部分组成。分别是是串行配置总线连接部分(主要用来设置与改变无线通信芯片的工作模式与参数设置)，双向同步数据信号连接部分(主要用于数据通信与信息传输)，以及可选的测试部分(主要用于监测芯片工作状态及测试信号强度)。
e)硬件平台的计算机辅助设计 本发明采用了一系列较为先进的电路CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)软件进行系统结构和较大规模集成电路的设计。通用性强，开发效率高。芯片的主要模块均采用了Protel99SE完成硬件电路的设计与绘制。鉴于本产品的部分高端元器件并没有预定义的封装形式，在开发过程中，加入了对于这些器件的封装的定义，并已经打包到了其封装库当中，以便今后扩展使用。考虑到集成性，抗干扰能力，以及芯片各项性能指标的要求，本发明采用了四层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行。
f)芯片的电源设计与功耗管理 作为散布于自组织网络中的IDEA芯片，能量的节约显得十分重要。在本发明中，电源模块需要给上层的中央主控模块和无线射频收发模块供给工作所需要的能量。经过实际测量计算，芯片在非节能模式的运行中，上述两个模块的工作电流可以高达25mA。对于大部分时间采用内部电源供给的IDEA芯片而言，电源的设计与管理显得尤为重要。本发明在电源的设计与管理中，充分考虑了节能的要求，不仅在软件上，为芯片提供了4种可变的工作模式，同时，采用了相当数量的低损耗的系统元器件。IDEA的设计中，提供了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控，当电压低于芯片工作所允许的最低门限要求的时候，IDEA会产生报警机制，并迅速使芯片切换到休眠或等待模式。本发明的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化等。系统级功耗管理将在IDEA没有操作的时候，使之进入睡眠状态，在预设时间来临的时候，即产生中断唤醒；对于本发明而言，编码风格与代码效率对于片上系统而言非常重要，IDEA采用了良好的编码风格，优化后的代码使功耗大为降低；在寄存器传输方面，本发明采用了硬件结构优化和系统流水线处理并行的优化策略，同时降低寄存器电容的片内存储器模块划分，降低活动因子的信号门控，减少Glitch(毛刺)的传播速度等，以此使寄存器传输功耗大为降低；在后端综合布线方面，本发明采用了优化电路，减少操作，修改信号相关关系等方式，进一步减少了综合毛刺的产生概率。
g)IDEA的可扩展性设计 随着传感技术的发展和网络技术的日益成熟，今后的无线传感器网络技术必然向着多元化和智能化方向发展。因此，本发明在设计过程中，预留了充分的接口，以便今后的调用和扩展。
h)硬件平台的可靠性设计和抗干扰性能 实际应用中的IDEA芯片，工作于各种复杂的环境中，在较高性能要求的同时，也对芯片的可靠性提出了越来越高的要求，特别是在工业控制以及通信要求的实时性较高的领域。本发明从抑制干扰源，切断传播路径和提高敏感元器件的抗干扰能力等多方面降低干扰，提高平台的可靠性。芯片所采用的抑制干扰源的 措施有高频部分加载滤波电容；IC上并接高频电容，布线密集短小平滑以减少高频噪声发射等。在传播路径抑制方面，本发明充分考虑了电源对于片上系统的噪声影响，设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/O口与噪声源之间同样加以隔离，同时，注意了晶振布线与接地，电路板合理分区，将干扰源与敏感器件分离。本发明为提高敏感元器件的抗干扰能力，进行了多方面改进，包括了减少回路环的面积，降低偶合噪声，配置闲置端口，使用电源监控和看门狗电路，降低晶振和使用低速传播等。
(7)与芯片的硬件设计同时开展的是芯片的软件功能设计。对于IDEA开发平台而言，软件设计主要包括了底层系统软件的设计。本发明的系统软件基于RTOS(Real-TimeOperation System，实时操作系统)，能够及时响应外部事件请求，并在规定时间内完成处理。系统控制所有实时任务协调一致运行，具有独立性，可靠性和实时性特点。系统根据任务要求，进行资源管理，消息处理，任务调度，异常处理等工作，并分配优先级，系统能够根据各个任务的优先级，进行动态切换和调度。由于本发明的系统软件为基于片上系统的嵌入式软件，因此，在程序流程方面不仅要考虑到功能的完整性和准确性，也要保证硬件初始化和运转的正常。鉴于本发明的实时性要求较高，因此中断系统的控制与产生在芯片的设计中占有十分重要的地位，系统提供了包括软中断，硬件中断以及嵌套中断在内的多种中断方式，同时采用了动态实时调度算法(包括速率单调算法，最早截止时间优先算法，最小松弛时间优先算法)。为了使本发明稳定运行，在提高硬件性能和可靠性的基础上，还需要保证软件的可靠性，以使得整个芯片稳定运行于工作环境。本发明中的软件可靠性设计主要包括了抗干扰设计和容错设计。软件抗干扰设计是硬件抗干扰设计的辅助方法。本发明中，使用了抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法。数字滤波有多种方式，芯片使用了加权平均滤波法，即对目标参量采样N次，并将每次的采样值乘以一个小于1的加权系数，再将加权后的采样值累加作为本次的采样值。每次采样值的加权系数均不相同，以突出此后的若干次采样效果，加强芯片对参数变化趋势的识别能力。
(8)在完成了软硬件的协同设计之后，需要利用现有的软硬件开发工具，进行功能部件级和系统级的仿真和调试。这样既有利于找出芯片存在的问题，也进一步明确了芯片的运行流程和结构组合。本发明在这一阶段主要采用了软件调试，软件系统仿真和硬件系统仿真三个过程。
(9)完成了软硬件的仿真调试后，就可将系统程序下载到IDEA之中了。本发明主要为用户提供JTAG下载方式JTAG下载主要通过JTAGICE进行。不需要额外的器件即可以实现目标文件的下载执行。
权利要求
1.一种基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法，其特征在于实现所包含的步骤为
步骤1)规划IDEA芯片所需完成的总体功能和基本性能指标芯片需完成数据传输、信息融合、预警控制、自主定位多种功能，要求具有较高的系统可靠性和集成度，准确的数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件；
步骤2)确定IDEA芯片的输入输出芯片将从网络内其它芯片传送过来的数据作为输入，将传感结果传输到用户终端作为输出；
步骤3)明确芯片信号类型与数据特性基于高频通信的需要，芯片信号传输于可变频的300MHZ-1000MHZ的通用高频段，具体的调制方法可以通过编程改变频率字寄存器的值来实现，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可调数据传输率，内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码；
步骤4)芯片的执行方式与功能实现采用JTAG编程器进行芯片程序的在线仿真与调试，同时提供串口烧写方式以及USB下载方式，芯片下载了应用程序以后，即可执行操作，并在终端控制平台的控制与监视下，完成应用任务；
步骤5)进行芯片的基本构架设计芯片基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层、设备驱动层、嵌入式系统内核、应用系统层；
步骤6)展开芯片设计方案的描述芯片采用自顶向下的方法将本芯片的功能部件进行模块划分，主要包括中央主控处理模块、用户界面接口、高频无线通信模块、外部接口转换模块以及能量供应模块；
步骤7)设计中央主控处理模块中央主控处理模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输，同时，利用A/D转换子模块，将信息传感模块采集到的各种传感信息转化为电信号的形式，并通过异步串行子模块传输到作为主控处理的用户界面，从而实现定量定性传感信息的显示；
步骤8)设计高频无线通信模块芯片的高频无线通信模块包括了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器，模块将传感信息，以无线频谱的方式，在300MHZ-1000MHZ的频段上进行传输，同时，接收来自自组织网络内其它芯片的传感信息传递，并实时与基站芯片进行沟通；
步骤9)设外部接口转换模块外部接口转换模块包括了串口转USB芯片和USB接口两部分。信息通过串口转USB芯片从串口传输转换为USB传输，并通过USB接口与用户终端进行信息交互。
步骤10)设计能量供应模块能量供应模块为上述各个模块提供能源供给，针对芯片的发送、接收、休眠、待机四种不同的工作方式，提供了相对应的能源供给方式，在用户切换芯片的工作状态时，芯片将自动调用相应的能量供给方式，使芯片工作在相应的模式下；
步骤11)芯片外围器件的选取根据芯片自身的特点和无线传感器网络的自身要求，芯片的外围器件的选择，基本实现了作为自组无线网络中的芯片的所有功能，这些器件包括可数字化I/O器件、外部存储器件、A/D转换器件、外部晶振系统、有源天线；
步骤12)芯片的电路设计与实现芯片电路采用数字化标准设计，元件均采用0805型的贴片式封装，芯片与PC串口的连接之间实现了TTL信号和RS-232信号之间的转换；主控芯片建立了高速信号和低速信号之间的缓冲，芯片采用双层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行；
步骤13)芯片模块间的接口设计芯片接口主要由三大部分组成，分别是串行配置总线连接部分，双向同步数据信号连接部分，以及可选的测试部分；
步骤14)芯片的电源设计芯片提供了4种可变的工作模式，分别是睡眠模式，发送模式，接收模式，省电模式，同时，设计了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控；
步骤15)芯片的功耗管理设计芯片的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化；
步骤16)芯片的可扩展性设计芯片在设计过程中，预留了充分的接口，包括超过30个主控模块输入输出接口，以便今后的调用和扩展；
步骤17)芯片的可靠性与抗干扰性设计高频抑制方面，芯片在高频部分设计加载滤波电容，在IC上并接高频电容，采用密集布线以减少高频噪声发射；在传播路径抑制方面，芯片设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/O口与噪声源之间加以隔离，同时，将干扰源与敏感器件分离；
步骤18)芯片的系统软件设计芯片的系统软件控制所有实时任务协调一致运行，系统根据任务要求，进行资源管理，消息处理，任务调度，异常处理，并分配优先级，系统根据各个任务的优先级，进行动态切换和调度；
步骤19)芯片的软件可靠性设计芯片设计中采用抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法，采用精简指令系统；
步骤20)芯片的软件调试芯片使用AVR Studio进行软件调试，允许用户进行AVR在线实时仿真或模拟，在进行仿真之前，使用第三方编译器将源文件编译为可仿真的.cof文件，.elf文件或.hex文件；
步骤21)芯片的系统级软件仿真芯片采用VMLAB进行系统级软件仿真，在软件仿真阶段，通过软硬件平台的搭建，虚拟了一个芯片实际运行的仿真环境，通过仿真环境，可以明确芯片的功能实现；
步骤22)芯片的系统级硬件仿真芯片使用JTAG在线仿真器完成硬件仿真，通过烧制平台，将应用程序烧制到芯片中，完成应用功能；
步骤23)芯片应用程序的下载与执行芯片设计了2种下载方式，分别是USBISP下载和JTAG下载，JTAG下载主要通过JTAGICE进行。
全文摘要
基于身份识别的泛在智能人机交互芯片的实现方法，把由计算和通信芯片及系统组成的信息空间与人们生活的物理空间集成为和谐的人机交互信息环境，利用无线传感器网络和分布式计算技术实现自组织的泛在人机交互基础设施及建立在此基础上的人性化泛在智能交互方法，提高人机交互的性能和质量。本发明提出一种实现人机交换之间透明的、智能的、泛在的交互过程的方法，提供了随时沟通、及时互动的交互服务以及灵活的信息共享方式。
文档编号H04B1/38GK101370208SQ20081015617
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者黄俊杰, 王汝传, 志 陈, 黄海平, 宁 叶, 孙力娟, 超 沙, 王玉斐, 凡高娟, 李文锋, 晨 唐 申请人:南京邮电大学