動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)開發(fā)路徑及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)分析

洪輝+蘇博

摘要：該文目的在于分析研究動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)開發(fā)路徑及網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)方面的相關(guān)問題。基于某軟件案例，設(shè)計(jì)一款基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)的智能運(yùn)動(dòng)手表，滿足對(duì)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)需求。結(jié)果證實(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件軟件，不僅可以優(yōu)化該軟件平臺(tái)開發(fā)路徑，提升可穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，同時(shí)還可提升其網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，可將軟件網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量提升18.0%，可以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)通信；可重構(gòu)穿戴；動(dòng)態(tài)；可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）06-0036-03

Abstract： The purpose of this paper is to analyze and study the development path of dynamic reconfigurable wearable computer software platform and the related issues in the implementation of network communication. Design a based on dynamic reconstruction of wearable computer software platform of wisdom to sports watch in order to meet the people on the reconstruction of the wearable computer software design and development requirements. The results show that the application of dynamic reconstruction of wearable computer software platform， not only can enhance wearable computer software platform on the environment adaptability， but also improve the quality of network communication， enhance the 18.0%. so we can publicize the software design method in practice.

Key words： network communication； reconfigurable wearable； reconfigurable wearable computer software； dynamic

隨機(jī)科技的發(fā)展，將智能化可穿戴設(shè)備軟件，穿在身上早已不是南柯一夢(mèng)，可穿戴設(shè)備不僅可以直接的穿在人的身上，也可以將可穿戴設(shè)備軟件整合為一種便于攜帶、隨身佩戴的設(shè)備軟件，讓人可將其穿戴在身上，最常見就有“記步軟件、跑步手表、心率測(cè)控軟件”等，可穿戴軟件也漸漸被人們接受[1-2]。本篇基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)可穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)及通信網(wǎng)絡(luò)，以便可以提升動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用性能。以下對(duì)此做具體分析。

1 動(dòng)態(tài)的可重構(gòu)技術(shù)

動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)，指的是基于時(shí)序變化的數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，對(duì)于其不同程序的時(shí)序邏輯，并非是通過芯片調(diào)用不同區(qū)域功能的，也不是由不同的邏輯資源組成的系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的系統(tǒng)中，往往會(huì)有能夠緩存系統(tǒng)邏輯資源的FPGA模塊，可以快速動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)局部、全局芯片邏輯的重構(gòu)[3-7]。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)中，可以動(dòng)態(tài)的配置系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)的FPGA邏輯，并可以重新配置局部需修改的內(nèi)部邏輯單元[8]，對(duì)于沒有被修改的系統(tǒng)邏輯單元，則該部分邏輯則不會(huì)受到影響，依然可以正常的運(yùn)行工作。

2 需求分析

針對(duì)本次開發(fā)設(shè)計(jì)的穿戴式計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)中，基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)該軟件，從軟件的平臺(tái)開發(fā)與網(wǎng)絡(luò)通信中，均能夠應(yīng)用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)得以支撐，提升該軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，使動(dòng)態(tài)穿戴計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)滿足用戶需求[9-12]。并且，在本次設(shè)計(jì)的可穿戴式計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)中，也能夠優(yōu)化提升軟件應(yīng)用性能，提升軟件在用戶群體中的可用性[13]。本篇研究中，應(yīng)用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)，優(yōu)化穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)開發(fā)路徑與網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)一款智能運(yùn)動(dòng)手表，以微控制器ATmega644PA為控制核心，利用PCF8563時(shí)鐘芯片、三維加速度傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并使用OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示時(shí)間功能、顯示溫度、氣壓、海拔高度功能、計(jì)步功能，結(jié)合藍(lán)牙2.1模塊，實(shí)現(xiàn)與安卓手機(jī)的通信功能；團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款安卓APP與智能手表結(jié)合使用，智能手表可以將數(shù)據(jù)傳送到安卓手機(jī)，通過APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行2次處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)步數(shù)、卡路里消耗量、運(yùn)動(dòng)距離、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的記錄與分析，能根據(jù)數(shù)據(jù)為使用者提供健康方面的建議[14]，確保設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)符合實(shí)際用戶需求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的穿戴計(jì)算機(jī)軟件

3.1設(shè)計(jì)軟件的總體結(jié)構(gòu)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件中，根據(jù)軟件的需求分析，結(jié)合可穿戴計(jì)算機(jī)軟件、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)等技術(shù)，并將其作為本次軟件設(shè)計(jì)中的核心，優(yōu)化改建該軟件平臺(tái)[15]。軟件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

同時(shí)，在設(shè)計(jì)中，也僅需完成前端設(shè)計(jì)，要足夠的智能，能分清何時(shí)轉(zhuǎn)變角色，設(shè)計(jì)方法靈活，系統(tǒng)功能可裁減、易擴(kuò)充。

3.2功能設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)之中，能夠以軟件功能的開發(fā)為主，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)外部硬件平臺(tái)，以便可以實(shí)現(xiàn)特定的動(dòng)態(tài)可穿戴軟件系統(tǒng)的應(yīng)用功能[16]。分析我們的主題，決定我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能如下：顯示時(shí)間、年份月份日期、星期以及實(shí)時(shí)時(shí)間；顯示溫度、氣壓、海拔高度；記錄并顯示走路或者跑步步數(shù)；將傳感器數(shù)據(jù)傳送到安卓手機(jī)； 安卓手機(jī)軟件接收數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；手機(jī)短信提醒、來電提醒功能 ；同時(shí)應(yīng)專注于打造一種存在感，為可穿戴設(shè)備的使用用戶去提前準(zhǔn)備一些事情，比如能夠記錄睡覺時(shí)的數(shù)據(jù)，分析睡眠狀況等。

3.3動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用

動(dòng)態(tài)重構(gòu)中，基于軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)需要，主要包括兩個(gè)階段：第一階段，也就是動(dòng)態(tài)可重構(gòu)模塊的入口設(shè)計(jì)與模塊設(shè)計(jì)部分的綜合，主要就是動(dòng)態(tài)重構(gòu)大體功能范圍的限定；第二階段，則是要實(shí)現(xiàn)具體動(dòng)態(tài)可重構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)部分，主要包括初始預(yù)算、模塊的實(shí)現(xiàn)以及最終編譯等部分。

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)中，通過重構(gòu)技術(shù)，動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中硬件邏輯資源的重構(gòu)配置，根據(jù)功能及時(shí)序變化，將芯片功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，以便可以應(yīng)用較小的計(jì)算機(jī)軟件硬件資源，最大化發(fā)揮系統(tǒng)時(shí)序控制功能。

3.4軟件平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件通信中，通過GPS傳感器采集GPS數(shù)據(jù)，通過分析GPS采集回來的經(jīng)緯度信息，計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)距離，再根據(jù)用戶設(shè)定的步長，來反推步數(shù)。

元器件的主動(dòng)發(fā)光器件OLED，高分子有機(jī)材料，可以做成很薄很輕的設(shè)計(jì)，并且像素很小，分辨率很大，非常適合用于體積要求較高的可穿戴電子設(shè)備。

無線傳輸方式，無線傳輸方式中適合單片機(jī)與安卓智能手機(jī)通信的有藍(lán)牙通信和WIFI通信。 WIFI通信模塊適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，而且傳輸?shù)乃俣纫草^快，最大的弱點(diǎn)就是功耗高、穩(wěn)定性不高；而藍(lán)牙技術(shù)比較成熟，在短距離傳輸方面其穩(wěn)定性好，功耗也相對(duì)較小，可以很方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。作為我們的智能可穿戴的設(shè)備，我們盡可能要尋找低功耗的模塊，而且我們的設(shè)備主要是傳送用戶的運(yùn)動(dòng)信息，信息量不是很大，所需要傳送的距離也不是很大，不需要WIFI的無線局域網(wǎng)，我們的要求是能夠穩(wěn)定的傳送，所以藍(lán)牙模塊是我們比較理想的選擇。

3.5硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)，由FPGA作為該平臺(tái)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)端組成硬件平臺(tái)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，確保系統(tǒng)的硬件編程中有可重新編程能力，能夠動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)資源，在任何時(shí)刻確保任何通用基本邏輯功能能夠適用于任何平臺(tái)中；主要就是通過數(shù)據(jù)總線，將FPGA配置文件傳輸?shù)紽PGA的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)邏輯配置。FPGA配置架構(gòu)如下圖2所示：

對(duì)于主機(jī)端中，可以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)將配置文件傳送到軟件目標(biāo)系統(tǒng)中的物理層接口，接著經(jīng)過PLB總線，將配置文件暫存在DDR SDRAM之中，然后結(jié)合PLB、OPB總線，將配置文件傳送到CF卡保存。對(duì)于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，通過系統(tǒng)服務(wù)器，將重構(gòu)命令傳送給系統(tǒng)中的Powerpc處理器，通過SystemACE芯片可以將配置文件在FPGA芯片中配置，從而完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)過程，完成系統(tǒng)重構(gòu)的功能。如下圖3所示：

核心模塊選擇搭載了Atmel ATmega644PA的Microduino-Core+，該模塊具有Digital I/O 數(shù)字輸入/輸出端共 0～23，A0～A7。Analog I/O 模擬輸入/輸出端共 A0～A7 。支持六路PWM輸出端口，支持ISP下載功能。

采用Microduino系列的矢量傳感器模塊，集成了磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器，氣壓傳感器，三軸加速度傳感器以及三軸陀螺儀，并且可通過I2C接口與Core/Core+核心模塊通信。利用該模塊所具有的傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)我們的對(duì)溫度、氣壓、海拔以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)的測(cè)量。用跟蹤系統(tǒng)，確定操作者頭手和身體位置。當(dāng)操作者移動(dòng)頭的位置時(shí)，眼睛也在隨之發(fā)生變化，那么虛擬環(huán)境中我們也要是實(shí)現(xiàn)這一規(guī)律，對(duì)操作者頭手和身體位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè) ， 并獲取相關(guān)數(shù)據(jù) ， 再將其反饋給控制系統(tǒng)。用觸覺系統(tǒng)，讓操作者的手等身體部分能夠操作虛擬事物，并且能夠讓他們感受到虛擬場(chǎng)景中回應(yīng)他們的反作用力，這樣才能給參與者帶來真實(shí)感。

3.6軟件代碼實(shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)重構(gòu)步數(shù)的算法：

for （int m=0；m

accelgyro.getMotion6（&ax， &ay， &az， &gx， &gy， &gz）；

//讀取6050數(shù)據(jù)

Ax=ax/16384.00；

Ay=ay/16384.00；

Az=az/16384.00；

data_of_N_FFT[m].real = sqrt（（Ax*Ax）+（Ay*Ay）+（Az*Az））； //輸入采樣數(shù)據(jù)

data_of_N_FFT[m].imag = 0；

}

FFT（）；

for（intii=20；ii

……

4 實(shí)現(xiàn)效益分析

設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件，不僅可以提升可穿戴計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，也可提升軟件網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，提升18.0%，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)在可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件中，可以集成化、小型化以及高可靠的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件的功能，并可提升軟件應(yīng)該平臺(tái)資源的利用率，降低軟件的開發(fā)成本，能夠使該軟件開發(fā)在實(shí)際中發(fā)揮應(yīng)用效益，具有極強(qiáng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)揮積極實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

5 結(jié)論

綜上所述，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)穿戴計(jì)算機(jī)軟件，不及可以優(yōu)化該軟件平臺(tái)的開發(fā)路徑，還可提升其網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，將更大化地改變現(xiàn)代人的日常生活，可以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)方法。

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