本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)無線模組及智能設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備。

背景技術(shù)：

智能頭顯(Head Mounted Displays，HMD)具備用戶可以實時觀看影像和信息的優(yōu)點(diǎn)。HMD最早始于消費(fèi)類用途和商務(wù)用途。HMD是在影像視聽、運(yùn)動等趣味性強(qiáng)的領(lǐng)域，HMD的需求日益高漲。加上其構(gòu)成部件的進(jìn)步，出現(xiàn)了普及的勢頭。隨著HMD的小型輕量化，HMD工作為目標(biāo)的開發(fā)動向日益活躍。除了運(yùn)動和娛樂領(lǐng)域外，還接連出現(xiàn)了設(shè)想用于日常生活的提案。商務(wù)用途則出現(xiàn)了將其用于作業(yè)支援和設(shè)計支援的企業(yè)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷進(jìn)化，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要將更多的功能芯片封裝在一個模塊里面，使聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具備高集成度、超小尺寸以及超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此需要研發(fā)一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和穿戴式產(chǎn)品設(shè)計的無線模組，可以幫助它們實現(xiàn)與其他智能設(shè)備或者云端互聯(lián)，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云數(shù)據(jù)分析和其他增值服務(wù)。

在未來5年內(nèi)，60％的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備將會采用多頻物聯(lián)網(wǎng)模組，因為多頻物聯(lián)網(wǎng)模組尺寸更小，無線射頻性能更穩(wěn)定。根據(jù)一些市場分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到2020年將會有250億臺設(shè)備可以聯(lián)網(wǎng)。

多頻物聯(lián)網(wǎng)模組產(chǎn)品可以讓開發(fā)者非常便利的在它們的智能設(shè)備上增加無線功能，尺寸很小，可以應(yīng)用在非常廣泛的市場，包括可穿戴、智能家居、智能照明和行業(yè)應(yīng)用等。它可以使設(shè)備制造商快速、簡捷地生產(chǎn)出所需的各種功能的物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備，同時提供優(yōu)化的底層固件，和物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)，幫助客戶在他們的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品上實現(xiàn)先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析、預(yù)測，幫助開發(fā)者快速把好的想法轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品和應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時代已經(jīng)到來，隨著智能硬件創(chuàng)業(yè)的興起，大量智能家居和可穿戴設(shè)備進(jìn)入了人們的生活，但是由于安全標(biāo)準(zhǔn)滯后，以及智能設(shè)備制造商缺乏安全意識和投入，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)埋下極大隱患，是個人隱私、企業(yè)信息安全甚至國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的頭號安全威脅。

Berrou在1993年國際通信會議上提出的Turbo碼，又被稱為并行級聯(lián)卷積碼(PCCC)，該碼巧妙的結(jié)合了隨機(jī)交織器和卷積碼的思想，實現(xiàn)了香農(nóng)信道編碼定理中所要求的隨機(jī)編譯碼，在譯碼算法上采用了軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼，從而獲得了非常優(yōu)異的性能。實驗室計算機(jī)仿真的條件：采用的交織長度為65535的隨機(jī)交織器、迭代18次、BPSK調(diào)制、碼率為1/2、AWGN信道、結(jié)果得到Turbo碼在信噪比EbNo≥0.7dB的情況下，BER(誤比特率)≤10-5，與Shannon極限只相差0.7dB。

Turbo碼的出現(xiàn)在編碼理論界引起巨大轟動，被公認(rèn)為自1982年TCM技術(shù)問世之后，信道編碼理論研究上的最重大的突破。目前，Turbo碼已經(jīng)從簡單的實驗室仿真過渡到實際應(yīng)用階段，Turbo碼已經(jīng)在深空通信、衛(wèi)星通信以及多媒體通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外Turbo碼在文本傳輸和數(shù)據(jù)存儲等方面也有應(yīng)用，Turbo碼被ITU2T確定為第三代移動通信(IMT22000)編碼方案之一。

如圖1所示，Turbo碼編碼器主要由兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器(RSC1,RSC2)、交織器和一個復(fù)接器組成。遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器是指帶有反饋的系統(tǒng)卷積碼編碼器。交織器用來打亂信息序列的排列順序，獲得與原始序列長度和內(nèi)容都相同但順序不同的信息序列。

輸入信息序列x1，經(jīng)過交織器打亂之后變成x2，兩組序列x1，x2分別經(jīng)過兩個分量編碼器得到兩組校驗比特序列y1，y2，再將x1，y1，y2復(fù)接成序列{x1,y1,y2}發(fā)送至信道。

Turbo碼獲得優(yōu)異性能的一個重要原因就是其采用的迭代譯碼算法，通過分量譯碼器之間的軟信息交換來提高譯碼可靠性。如圖2所示，Turbo碼譯碼器中有兩個軟輸入軟輸出(SISO)的分量譯碼器，它們分別與編碼器的兩個分量編碼器RSC1、RSC2相對應(yīng)。

譯碼剛開始的時候譯碼器1的先驗信息序列l(wèi)e1先全部清零，分量譯碼器1接收到來自信道的x1序列，y1序列以及全部為0的le1序列送入分量譯碼器1譯碼，得到的輸出dec1_out(表示x1序列的似然比信息)。dec1_out經(jīng)過外信息計算以及交織器之后成為分量譯碼器2的先驗信息序列輸入le2，而x1序列經(jīng)過交織之后得到x2序列。于是有了分量譯碼器2的3個輸入：x2序列，y2序列，le2序列，而分量譯碼器2的輸出dec2_out(表示x2序列的似然比信息)經(jīng)過外信息計算以及反交織之后成為了下一次迭代計算時分量譯碼器1的先驗信息輸入le1，到此為止就完成了一次迭代循環(huán)。

第二次迭代開始的時候分量譯碼器1的輸入x1序列，y1序列都不變，只是這時的le1序列就是上次迭代結(jié)束的時候得到更新的le1序列。若干次迭代結(jié)束之后對dec2_out進(jìn)行反交織并進(jìn)行硬判決從而得到譯碼輸出c_out。

Turbo碼的特點(diǎn)之一就是其迭代譯碼算法，隨著迭代次數(shù)的增加相應(yīng)信息比特的對數(shù)似然比越來越可信，誤比特率也會越來越低，但是迭代到了一定的次數(shù)其譯碼性能就到達(dá)一個瓶頸，誤比特率不會再有下降，這就是所謂的“誤碼平層”，如圖3所示。

明顯信道條件越好，信噪比越高，譯碼所必要的迭代次數(shù)就越低。但是在實際通信中實際的信道變化非常復(fù)雜，信噪比變化頻繁，所以采用預(yù)先固定迭代次數(shù)的做法會造成譯碼速度過慢，效率低的問題，該方案并不可取。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)一種或多種協(xié)議同時進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且采用FPGA設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，資源消耗量小。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，包括：智能頭顯設(shè)備本體和封裝于所述智能頭顯設(shè)備本體內(nèi)部的FPGA控制芯片，其中，所述FPGA控制芯片用于實現(xiàn)多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組，包括：微控制器、存儲單元、射頻模塊、射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)、平衡濾波器、電源單元和外部接口，其中，

所述電源單元與所述微控制器、存儲單元、射頻模塊、平衡濾波器和外部接口相連，以在所述電源單元的供電下驅(qū)動工作；

所述微控制器與所述外部接口雙向連接，以通過所述外部接口接收來自外部傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同需求配置相應(yīng)的無線協(xié)議，根據(jù)配置后的無線協(xié)議，向所述射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)送控制指令；

所述存儲單元與所述微控制器的輸入端與相連，用于存儲所述微控制器運(yùn)行過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及通過網(wǎng)絡(luò)傳送來的數(shù)據(jù)、微控制器程序升級或恢復(fù)的代碼；

所述射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)與所述微控制器的輸出端相連，用于根據(jù)所述微控制器的控制指令切換至相應(yīng)的射頻模塊，由所述射頻模塊輸出射頻信號，以實現(xiàn)對應(yīng)的無線協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，其中，所述射頻模塊包括多種無線協(xié)議的射頻模塊，根據(jù)所述數(shù)據(jù)的不同需求配置相應(yīng)的無線協(xié)議進(jìn)行選擇性切換，以實現(xiàn)多頻無線聯(lián)網(wǎng)；

所述平衡濾波器與射頻模塊相連，用于對射頻模塊輸出的射頻信號進(jìn)行濾波處理，并將濾波處理后的射頻信號發(fā)送到云端網(wǎng)絡(luò)中；

其中，所述微控制器進(jìn)一步通過外部接口接收由所述云端網(wǎng)絡(luò)返回的執(zhí)行指令，并通過所述外部接口將所述執(zhí)行指令發(fā)送至相應(yīng)的外部執(zhí)行器，以驅(qū)動所述外部執(zhí)行器工作。

進(jìn)一步，所述射頻模塊至少包括以下一種：藍(lán)牙BLE射頻模塊、WIFI射頻模塊、ZIGBEE射頻模塊、Lora射頻模塊、NB-IOT射頻模塊、SUB-1G射頻模塊；所述外部接口至少包括以下一種或多種：SPI接口、GPIO接口、I2C接口。

進(jìn)一步，還包括：安全加密模塊，所述安全加密模塊與所述微控制器通過I2C接口相連，用于對所述微控制器的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密。

進(jìn)一步，所述微控制器、存儲單元、射頻模塊、射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)、平衡濾波器、電源單元、安全加密模塊和外部接口采用SIP系統(tǒng)級封裝技術(shù)，封裝在所述FPGA芯片內(nèi)。

進(jìn)一步，所述微控制器設(shè)置有主模式和從模式，其中，

在所述主模式下，由所述微控制器完成數(shù)據(jù)分析、無線聯(lián)網(wǎng)通信、對外部執(zhí)行器的驅(qū)動動作；

在所述從模式下，所述微控制器通過所述外部接口連接至外部的單片機(jī)，由外部的單片機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、無線聯(lián)網(wǎng)通信、對外部執(zhí)行器的驅(qū)動動作。

進(jìn)一步，所述微控制器采用Turbo碼信道算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，其中，所述微控制器采用提前停止迭代對方式實現(xiàn)Turbo碼信道算法，包括：

在每次迭代結(jié)束之后進(jìn)行硬判決；

將本次迭代硬判決得到的比特序列與上次迭代硬判決得到的比特序列相比較，其中，原始比較序列由譯碼之前直接硬判決產(chǎn)生‘

計算兩個序列不相同的比特數(shù)，當(dāng)判斷兩個序列不相同的比特數(shù)為0，停止迭代并輸出結(jié)果。

進(jìn)一步，所述微控制器的操作系統(tǒng)基于IPV6技術(shù)協(xié)議實現(xiàn)。

進(jìn)一步，在所述智能頭顯設(shè)備的本體上設(shè)置有：位于用戶視線正前方的單/雙目成像裝置、位于兩側(cè)的包耳式降噪攏音耳罩裝置或骨傳導(dǎo)音頻傳輸裝置、環(huán)繞后頭部的人體工學(xué)承重彈性伸縮結(jié)構(gòu)裝置、位于雙耳側(cè)的汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器或入耳式揚(yáng)聲器裝置。

進(jìn)一步，所述外部傳感器至少包括以下一種：氣壓傳感器、光感傳感器、地磁、角度傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、心率傳感器、血氧脈搏傳感器和體溫傳感器。

進(jìn)一步，所述FPGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組，進(jìn)一步用于應(yīng)用全景圖像和視頻采集、拼接、渲染處理，包括：所述FPGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組針對場景，通過圖形圖像視頻采集單元模組實現(xiàn)應(yīng)用全景圖像和視頻采集處理；所述FPGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組用于對于GPU圖形圖像處理單元的渲染加速與輔助單元裝置，實現(xiàn)對全景圖像和視頻拼接、渲染處理。

根據(jù)本發(fā)明實施例的FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)一種或多種協(xié)議同時進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，拓展了通信渠道，通過采用SIP系統(tǒng)級封裝技術(shù)使該無線聯(lián)網(wǎng)模組集成度更高、尺寸更小、功耗更低。并且，多個無線聯(lián)網(wǎng)模組之間還可以自組網(wǎng)，通過采用SPI接口外接單片機(jī)，可以使無線聯(lián)網(wǎng)模組工作在從模式，或者不外接單片機(jī)，使之工作在主模式，此外增加了安全加密方案，使無線聯(lián)網(wǎng)模組的安全性得到了很大的提高。

此外，本發(fā)明通過FPGA實現(xiàn)的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組及其Turbo碼信道自適應(yīng)算法，仿真結(jié)果表明，通過該方案構(gòu)造的FPGA實現(xiàn)的Turbo碼譯碼器的糾錯性能沒有明顯下降，但是譯碼速度得到大大提升。并且，并且該算法對應(yīng)的FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，資源消耗量小，用FPGA硬件實現(xiàn)得到的電路運(yùn)行頻率高。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為碼率為1/3的Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為碼率為1/3的Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為MAP算法中迭代次數(shù)與信噪比的關(guān)系，可以看到“誤碼平層”的出現(xiàn)；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPGA的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為以MAP算法為基準(zhǔn)，固定迭代次數(shù)與自適應(yīng)迭代控制的性能比較圖，其中虛線為本發(fā)明得到的自適應(yīng)迭代控制算法的性能曲線；

圖6為以MAP算法為基準(zhǔn)，采用自適應(yīng)迭代控制算法得到的迭代次數(shù)與信噪比的關(guān)系圖；

圖7為以MAX-LOG-MAP算法為基準(zhǔn)，固定迭代次數(shù)與自適應(yīng)迭代控制的性能比較圖，其中虛線為本發(fā)明得到的自適應(yīng)迭代控制算法的性能曲線；

圖8為以MAX-LOG-MAP算法為基準(zhǔn)，采用自適應(yīng)迭代控制算法得到的迭代次數(shù)與信噪比的關(guān)系圖；

圖9為以本發(fā)明的自適應(yīng)迭代控制算法對應(yīng)的FPGA信號圖；

圖10為自適應(yīng)迭代控制算法的理論仿真和實際硬件測試性能對比圖；

圖11為由本發(fā)明得到的算法對應(yīng)FPGA硬件譯碼器譯碼速度圖；

圖12為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于FPGA的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備的工作模式示意圖；

圖13為微控制器6電路原理圖；

圖14為BLE射頻模塊電路原理圖；

圖15為智能頭顯設(shè)備的示意圖；

圖16(a)和(圖16(b)為40-50mm汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器裝置瞬間頻響測試圖；

圖17為攝像機(jī)及攝像機(jī)陣列組等圖形圖像視頻采集單元模組(應(yīng)用于全景圖像和視頻采集)的示意圖；

圖18為FPGA圖形圖像處理單元加速渲染輔助裝置的示意圖；

圖19為攝像機(jī)單元的結(jié)構(gòu)圖；

圖20為攝像機(jī)單元的電路圖；

圖21為地磁傳感器、角度傳感器、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖22為溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖23為光感傳感器和紫外光傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖24為心率傳感器和血氧脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖25為氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明實施例提出一種FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，采用FPGA實現(xiàn)的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組與Turbo碼信道算法，用于實現(xiàn)與無線物聯(lián)網(wǎng)模組和通訊的智能頭顯設(shè)備。

如圖4所示，本發(fā)明實施例的FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，包括：智能頭顯設(shè)備本體和封裝于智能頭顯設(shè)備本體內(nèi)部的FPGA控制芯片。

具體地，F(xiàn)PGA控制芯片用于實現(xiàn)多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2，包括：微控制器6、存儲單元9、射頻模塊4、射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)5、平衡濾波器3、電源單元8和外部接口10。

需要說明的是，多個多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2之間通過無線連接形成局域網(wǎng)。

在本發(fā)明的一個實施例中，微控制器6、存儲單元9、射頻模塊4、射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)5、平衡濾波器3、電源單元8、安全加密單元7和外部接口10采用SIP系統(tǒng)級封裝技術(shù)，封裝在FPGA芯片內(nèi)。需要說明的是，該封裝技術(shù)并不限于SIP封裝技術(shù)，示例并不是為了限制本發(fā)明的范圍，還可以采用其他封裝技術(shù)將各個器件封裝進(jìn)FPGA芯片。

電源單元8與微控制器6、存儲單元9、射頻模塊4、平衡濾波器3和外部接口10相連，以在電源單元8的供電下驅(qū)動工作，為基于FPGA的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2的運(yùn)行提供動力。

微控制器6與外部接口10雙向連接，以通過外部接口10接收來自外部傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同需求配置相應(yīng)的無線協(xié)議，根據(jù)配置后的無線協(xié)議，向射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)5發(fā)送控制指令。優(yōu)選的，微控制器6的操作系統(tǒng)基于IPV6技術(shù)協(xié)議實現(xiàn)。圖13示出了微控制器6的電路原理圖。

進(jìn)一步，射頻模塊44內(nèi)包括晶振電路，用于為整個無線聯(lián)網(wǎng)模組2的運(yùn)行提供基準(zhǔn)頻率，提供微控制器6及射頻模塊44和自組網(wǎng)的系統(tǒng)時鐘，保證無線聯(lián)網(wǎng)模組2的正確運(yùn)行。

在本發(fā)明的一個實施例中，外部接口10至少包括以下一種或多種：SPI接口、GPIO接口、I2C接口。

進(jìn)一步，微控制器6與Flash單元、射頻模塊44均采用SPI接口連接在一起。需要說明的是，上述接口并不限于SPI接口，還可以采用GPIO接口等，示例并不是為了限制本發(fā)明的范圍，在此不再贅述。

在本發(fā)明的一個實施例中，外部接口10連接外部傳感器、外部單片機(jī)、外部執(zhí)行器。

其中，外部傳感器可以包括以下一種或多種：氣壓傳感器、光感傳感器、地磁、角度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、心率傳感器和體溫傳感器等。

圖21為地磁傳感器、角度傳感器、加速度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖21所示，地磁傳感器、角度傳感器、加速度傳感器采集的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出至傳感器控制邏輯單元，并通過SDA發(fā)送至FPGA控制芯片進(jìn)行處理。其中，由數(shù)據(jù)校正單元對模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和傳感器控制邏輯單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

圖22為溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖22所示，由傳感器驅(qū)動管理單元驅(qū)動溫度傳感器和濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，并將采集溫度數(shù)據(jù)和經(jīng)過放大后的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送至溫濕度傳感器控制邏輯單元，并通過SDA發(fā)送至FPGA控制芯片進(jìn)行處理。

圖23為光感傳感器和紫外光傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖23所示，光感傳感器和紫外光傳感器采集的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，發(fā)送至I2C信號通訊接口，并通過SDA發(fā)送至FPGA控制芯片進(jìn)行處理。

圖24為心率傳感器和血氧脈搏傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖24所示，心率傳感器和血氧脈搏傳感器采集的數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，在經(jīng)過數(shù)字信號處理(數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)寄存器)，發(fā)送至I2C信號通訊接口，并通過SDA發(fā)送至FPGA控制芯片進(jìn)行處理。

圖25為氣壓傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。如圖25所示，氣壓傳感器在傳感器驅(qū)動器的驅(qū)動下，采集氣壓信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)選擇器，進(jìn)一步通過低噪前端模擬和ADC數(shù)值信號處理，通過SDA發(fā)送至FPGA控制芯片進(jìn)行處理。

需要說明的是，外部傳感器的類型不限于上述，還可以包括其他類型的傳感器，用以檢測周圍環(huán)境及佩戴者的狀態(tài)，在此不再贅述。由外部傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過FPGA算法處理并加入到無線組網(wǎng)中，從而實現(xiàn)利用本發(fā)明HMD智能頭顯設(shè)備，實現(xiàn)對上述狀態(tài)的采集、分析和呈現(xiàn)。

微控制器6采用Turbo碼信道算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，其中，微控制器6采用提前停止迭代對方式實現(xiàn)Turbo碼信道算法，包括：

在每次迭代結(jié)束之后進(jìn)行硬判決；

將本次迭代硬判決得到的比特序列與上次迭代硬判決得到的比特序列相比較，其中，原始比較序列由譯碼之前直接硬判決產(chǎn)生；

計算兩個序列不相同的比特數(shù)，當(dāng)判斷兩個序列不相同的比特數(shù)為0，停止迭代并輸出結(jié)果。

下面對提前停止迭代對方式進(jìn)行說明：

(1)預(yù)先設(shè)定最大迭代次數(shù)I_max，將先驗信息初始化為0；

(2)譯碼之前對輸入的序列先進(jìn)行一次硬判決，得到長度為N(幀長)的比特序列R₁；

(3)開始迭代

(4)迭代結(jié)束之后，進(jìn)行硬判決，得到長度為N(幀長)的比特序列R₂，如果當(dāng)前迭代次數(shù)i＝I_max，就轉(zhuǎn)到步驟7；

如果當(dāng)前迭代次數(shù)i≠I_max，就轉(zhuǎn)到步驟5；

(5)把R₁，R₂進(jìn)行比較，得到兩序列不相同的比特數(shù)NUMBER；

(6)如果NUMBER＝0，就轉(zhuǎn)到步驟7；

如果NUMBER≠0，用R₂代替R₁并轉(zhuǎn)到步驟3；

(7)把R₂作為譯碼結(jié)果輸出。

圖5和6示出了固定迭代次數(shù)MAP算法和由本發(fā)明得到的自適應(yīng)迭代控制MAP算法的性能圖。圖7和8示出了固定迭代次數(shù)MAX-LOG-MAP算法和由本發(fā)明得到的自適應(yīng)迭代控制MAP算法的性能圖。

如圖可知，兩種算法都采用(13,15)RSC碼作為分量碼，碼率為1/3，幀長為1440，采用BPSK調(diào)制，AWGN信道。若無特殊說明，后面的實驗仿真條件所采用分量碼，碼率，幀長，調(diào)制方式，信道類型均不變。

參考圖5至圖8，采用自使用迭代控制方案之后譯碼算法性能沒有明顯的惡化，與固定迭代次數(shù)的譯碼性能基本一致。

對于迭代次數(shù)，在信噪比為0dB的時候，無論最大迭代次數(shù)是3、5或者8，自適應(yīng)迭代控制MAP算法和MAX-LOG-MAP算法都沒有能夠有效的減少迭代次數(shù)，這是因為這個時候信噪比過低，無論多少次迭代都不可能使譯碼有改善，前后兩次迭代計算的判決序列不可能一樣，所以迭代計算總是到最大迭代次數(shù)才停止。

在信噪比為0.5dB的時候，由于信噪比稍有提高，但相對也是比較低的，所以會出現(xiàn)兩種情況：

其一，與在0dB的時候一樣無論多少次迭代都不可能使譯碼有改善，所以譯碼總是要迭代到最大迭代次數(shù)才停止；

其二，迭代很多次(通常在6次以上)，所以這時候只有最大迭代次數(shù)為8的時候自適應(yīng)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的時候，這個時候隨著迭代次數(shù)的增加，誤比特數(shù)會逐漸減少。即，隨著迭代次數(shù)的增加，譯碼性能也在逐漸改善，所以這種情況下自適應(yīng)迭代控制就開始發(fā)揮作用了。并且信噪比越高，作用越明顯。這是因為當(dāng)信噪比高的時候所必要的迭代次數(shù)少，這個時候相對于最大迭代次數(shù)而言自適應(yīng)迭代控制方案能在很早的時刻就有效的停止迭代，于是就大大的節(jié)約了譯碼時間，提高了譯碼速度。

圖9為以本發(fā)明得到的自適應(yīng)迭代控制算法對應(yīng)的FPGA信號圖。參考圖9，在譯碼器剛開始工作的時候先將交織好的x₂序列送入迭代控制模塊進(jìn)行硬判決，并且把硬判決的結(jié)果送入塊狀RAM進(jìn)行存儲。第一次迭代計算得到的分量譯碼器譯碼輸出dec₂_out輸入的時候也把dec₂_out進(jìn)行硬判決，得到le₂_deside信號，這時候同步讀取塊狀RAM中的數(shù)據(jù)得到load信號，然后送入序列比較模塊進(jìn)行比較(實際上是第一次迭代結(jié)束的判決結(jié)果和直接硬判決的結(jié)果相比較)，于是得到信號same(表示兩個序列相同的比特數(shù))，然后送入到迭代停止判定模塊。而le₂_deside信號經(jīng)過一定的延時，也進(jìn)入塊狀RAM進(jìn)行存儲。

對于迭代計數(shù)模塊用每次dec₂_out的同步電平en_in₂做信號，在en_in₂的上升沿計數(shù)，再結(jié)合same信號，對迭代計算和迭代停止進(jìn)行判決。

本發(fā)明采用(13,15)Turbo碼，1/3碼率，幀長N＝1024，MAX-LOG-MAP算法，自適應(yīng)迭代控制，最大迭代次數(shù)5次，采用BPSK調(diào)制，在AWGN信道條件下得到理論仿真和實際FPGA硬件測試性能對比圖。

本發(fā)明使得Turbo碼譯碼算法在進(jìn)行譯碼的過程中根據(jù)信道信噪比的變化自動調(diào)整迭代次數(shù)，節(jié)約譯碼時間，加快譯碼速度。

參考圖10和圖11，硬件電路的譯碼性能與實驗室仿真差距很小，兩條曲線基本重合，就算有差距也是在一個數(shù)量級之內(nèi)，這種程度的性能損失對于硬件設(shè)計來說是可以接受的。而從譯碼速度測試圖表可以看到，隨著信道信噪比的提高硬件譯碼速度有明顯的提升，這說明硬件電路的確實現(xiàn)了信道自適應(yīng)迭代控制的功能，使譯碼速度大大提高，達(dá)到了優(yōu)化譯碼算法的功能。

存儲單元9與微控制器6的輸入端與相連，用于存儲微控制器6運(yùn)行過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及通過網(wǎng)絡(luò)(例如云端1網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng))傳送來的數(shù)據(jù)、微控制器6程序升級或恢復(fù)的代碼。

在本發(fā)明的一個實施例中，存儲單元9采用Flash芯片。

此外，本發(fā)明實施例的FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2的智能頭顯設(shè)備，還包括：安全加密單元7，安全加密單元7與微控制器6通過I2C接口相連，用于對微控制器6的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密。

需要說明的是，安全加密單元7與微控制器6的連接接口并不限于I2C接口，還可以采用GPIO接口等，在此不再贅述。

具體地，安全加密單元7集成了WEP、TKIP、AES和WAPI硬件安全引擎，為無線聯(lián)網(wǎng)模組2提供基于硬件的超安全密鑰存儲，具備64位嵌入式硬件加密引擎、多套不可讀的64位驗證密鑰以及多套不可讀的64位會話加密密鑰。采用安全加密單元7對微控制器6通信數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止硬件被篡改。通過點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)(云端1或局域網(wǎng))的安全加密，從而確保每一件物品實現(xiàn)智能連接。

射頻轉(zhuǎn)換開關(guān)5與微控制器6的輸出端相連，用于根據(jù)微控制器6的控制指令切換至相應(yīng)的射頻模塊4，由射頻模塊4輸出射頻信號，以實現(xiàn)對應(yīng)的無線協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，其中，射頻模塊4包括多種無線協(xié)議的射頻模塊44，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同需求配置相應(yīng)的無線協(xié)議進(jìn)行選擇性切換，以實現(xiàn)多頻無線聯(lián)網(wǎng)。

進(jìn)一步，射頻模塊44內(nèi)包括晶振電路，提供時鐘信號

在本發(fā)明的一個實施例中，射頻切換開關(guān)直接連接到微控制器6的I/O接口上，通過微控制器6上的I/O高速切換射頻模塊44輸出的TX/RX信號，平衡濾波器33使輸出的射頻信號更接近所需要的頻段。

在本發(fā)明的一個實施例中，射頻模塊4至少包括以下一種：藍(lán)牙BLE射頻模塊4424(如圖14所示)、WIFI射頻模塊4414、ZIGBEE射頻模塊4434、Lora射頻模塊4444、NB-IOT射頻模塊4454、SUB-1G射頻模塊4464?；诖?，本發(fā)明的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2可以運(yùn)行一種或多種通信協(xié)議。

具體地，該無線聯(lián)網(wǎng)模組2可以通過其中一種協(xié)議連接到云端1，也可以通過其他的協(xié)議在無線聯(lián)網(wǎng)模組2之間進(jìn)行自組網(wǎng)，形成局域網(wǎng)。

FPGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組，還可以應(yīng)用全景圖像和視頻采集、拼接、渲染處理等方向。具體來說，F(xiàn)PGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組可以用于某個場景+攝像機(jī)及攝像機(jī)陣列組等圖形圖像視頻采集單元模組，實現(xiàn)應(yīng)用全景圖像和視頻采集處理。參考圖17所示，多臺攝像機(jī)通過I2C總線連接至攝像裝置陣列邏輯控制，并進(jìn)一步與FPGA控制芯片進(jìn)行通信，實現(xiàn)全景圖像和視頻采集。FPGA控制芯片實現(xiàn)的無線聯(lián)網(wǎng)模組用于對于GPU圖形圖像處理單元的渲染加速與輔助單元裝置，實現(xiàn)對全景圖像和視頻拼接、渲染處理等。圖18為FPGA圖形圖像處理單元加速渲染輔助裝置的示意圖。參考圖18，加速渲染輔助裝置包括多個處理器、GPIO、MIPI和HDMI多個接口，通過DDR外部總線接口與外部芯片通信。

圖19和圖20分別給出了攝像機(jī)單元的結(jié)構(gòu)圖和電路圖。下面對圖19中的攝像機(jī)單元的電路進(jìn)行說明。

1.PWND引腳，高電平有效。當(dāng)上拉至和DOVDD電壓一致的高電平時，進(jìn)入節(jié)電模式,不使用時需在模組外部接地。

2.RESETB，低點(diǎn)平有效。置低時復(fù)位,不使用時需在模組外部與DOVDD連接。

3.AVDD為傳感器模擬電源引腳，電壓范圍為2.6-3.0V(紋波小)。推薦接入2.8V電壓。在OTP寫入狀態(tài)時，AVDD必須接入2.5V+-5％，但是OPT讀取狀態(tài)無此要求。

4.DVDD是傳感器數(shù)字電源引腳，電壓1.5V±5％(紋波小)。強(qiáng)烈建議使用內(nèi)部DVDD穩(wěn)壓器。

5.DOVDD是傳感器數(shù)字IO電源引腳，電壓范圍1.7V-3.0V(clean)，建議為1.8V。

6.AGND與DGND引腳應(yīng)在模組內(nèi)分開，在模組外PCB單點(diǎn)連接，不要在模組內(nèi)連接。

7.電容器的位置需靠近其相應(yīng)的OV5640引腳。

8.D[9:0]為傳感器10bit RGB RAW輸出，D[9:2]為傳感器8-bit YUV/RGB/壓縮信號輸出。

其中，引腳定義如下：

視頻輸出接口共有10位，D[9:0]。當(dāng)輸出為10-bit RGB B raw格式時,使用D[9:0]。當(dāng)輸出格式為8-bit YCbCr或8-bit RGB raw和8-bit RGB 565時,使用D[9:2]。同步信號Href和Hsync使用同一引腳Href。通過SCCB設(shè)置可選擇此引腳為Href或Hsync信號。SIO_C以及SIO_D總線需外接上拉電阻,標(biāo)準(zhǔn)上拉電阻阻值為5.1K歐姆。RESETB引腳低有效，且內(nèi)置上拉電阻。RESETB引腳需由后端芯片控制以得到合適的上電順序。PWDN引腳高有效，且內(nèi)置下拉電阻。PWDN引腳需由后端芯片控制以得到合適的上電順序。平衡濾波器3與射頻模塊4相連，用于對射頻模塊4輸出的射頻信號進(jìn)行濾波處理，并將濾波處理后的射頻信號發(fā)送到云端1網(wǎng)絡(luò)中。

微控制器6進(jìn)一步通過外部接口10接收由云端1網(wǎng)絡(luò)返回的執(zhí)行指令，并通過外部接口10將執(zhí)行指令發(fā)送至相應(yīng)的外部執(zhí)行器，以驅(qū)動外部執(zhí)行器工作。

在本發(fā)明的一個實施例中，微控制器6設(shè)置有主模式和從模式。

在主模式下，由微控制器6完成數(shù)據(jù)分析、無線聯(lián)網(wǎng)通信、對外部執(zhí)行器的驅(qū)動動作。

在從模式下，微控制器6通過外部接口10連接至外部的單片機(jī)，由外部的單片機(jī)完成數(shù)據(jù)分析、無線聯(lián)網(wǎng)通信、對外部執(zhí)行器的驅(qū)動動作。

下面對本發(fā)明實施例的FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2的智能頭顯設(shè)備的工作原理進(jìn)行說明：

外部傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過外部接口10傳到微控制器6，微控制器6對采集到的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。微控制器6是基于IPV6協(xié)議的操作系統(tǒng)，根據(jù)分析得到的數(shù)據(jù)的不同需求，向其配置不同的無線協(xié)議。

然后，微控制器6向射頻切換開關(guān)發(fā)出控制指令，從而控制射頻切換開關(guān)根據(jù)配置的不同無線協(xié)議，將數(shù)據(jù)切換到不同的射頻模塊4。

具體來說，如果采集的數(shù)據(jù)需要上傳到云端1，則需配置成WIFI協(xié)議，或其他具有網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的無線協(xié)議。如果采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行短距離傳輸，而不需要網(wǎng)絡(luò)上傳，則可以配置成藍(lán)牙(BLE)協(xié)議或者ZigBee協(xié)議。

在本發(fā)明中，IPV6協(xié)議的作用是統(tǒng)一應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，使無線信號的傳輸距離更遠(yuǎn)，云端1將數(shù)據(jù)處理完以后發(fā)送命令到多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2，由多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組2的微控制器6將執(zhí)行指令通過外部接口10發(fā)送到外部執(zhí)行器去執(zhí)行相應(yīng)動作。

如圖12所示，傳感器采集到數(shù)據(jù)后通過無線聯(lián)網(wǎng)模組2將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端1，云端1將數(shù)據(jù)處理完后發(fā)送執(zhí)行命令到無線聯(lián)網(wǎng)模組2。由無線聯(lián)網(wǎng)模組2的微控制器6將執(zhí)行指令通過外部接口10發(fā)送到外部的繼電器，由繼電器執(zhí)行動作。具體地，在執(zhí)行指令的控制下，驅(qū)動繼電器點(diǎn)亮LED，在上述應(yīng)用中無線聯(lián)網(wǎng)模組2配置成WIFI協(xié)議。

當(dāng)有N個應(yīng)用時，其中一個應(yīng)用配置成WIFI+其他協(xié)議。其他應(yīng)用配置成其他協(xié)議。例如，ZIGBEE、BLE、LORA、NB-IOT、SUB-1G等其中一種或多種。如果一個應(yīng)用通過Wifi連接到云端1，則其他應(yīng)用和這一個應(yīng)用自組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)和命令通過一個應(yīng)用發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)(云端1或局域網(wǎng))，反之網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)和命令也通過這一個應(yīng)用分發(fā)到其他應(yīng)用。

需要說明的是，無線聯(lián)網(wǎng)模組2發(fā)送至的網(wǎng)絡(luò)，可以是云端1的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，也可以發(fā)送到本地的一個類似云端1的設(shè)備上。例如，無線聯(lián)網(wǎng)模組2將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地手機(jī)或其他終端設(shè)備上。

此外，如圖15所示，在智能頭顯設(shè)備的本體上設(shè)置有：位于用戶視線正前方的單/雙目成像裝置、位于兩側(cè)的包耳式降噪攏音耳罩裝置或骨傳導(dǎo)音頻傳輸裝置、環(huán)繞后頭部的人體工學(xué)承重彈性伸縮結(jié)構(gòu)裝置、位于雙耳側(cè)的汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器或入耳式揚(yáng)聲器裝置。

在本發(fā)明的一個實施例中，位于兩側(cè)的包耳式降噪攏音耳罩裝置采用直徑為100mm的蛋白質(zhì)包耳式降噪攏音耳罩裝置。

圖16(a)和(b)為未采用汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器裝置和采用40-50mm汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器裝置瞬間頻響測試圖。由圖可知，采用40-50mm汝鐵硼動圈虛擬空間聲場揚(yáng)聲器裝置可以達(dá)到明顯抑制干擾的目的。

根據(jù)本發(fā)明實施例的FPGA實現(xiàn)的基于多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組的智能頭顯設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)配置實現(xiàn)一種或多種協(xié)議同時進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，拓展了通信渠道，通過采用SIP系統(tǒng)級封裝技術(shù)使該無線聯(lián)網(wǎng)模組集成度更高、尺寸更小、功耗更低。并且，多個無線聯(lián)網(wǎng)模組之間還可以自組網(wǎng)，通過采用SPI接口外接單片機(jī)，可以使無線聯(lián)網(wǎng)模組工作在從模式，或者不外接單片機(jī)，使之工作在主模式，此外增加了安全加密方案，使無線聯(lián)網(wǎng)模組的安全性得到了很大的提高。

此外，本發(fā)明通過FPGA實現(xiàn)的多頻無線聯(lián)網(wǎng)模組及其Turbo碼信道自適應(yīng)算法，仿真結(jié)果表明，通過該方案構(gòu)造的FPGA實現(xiàn)的Turbo碼譯碼器的糾錯性能沒有明顯下降，但是譯碼速度得到大大提升。并且，并且該算法對應(yīng)的FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，資源消耗量小，用FPGA硬件實現(xiàn)得到的電路運(yùn)行頻率高。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。