（交通信息工程及控制专业论文）集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计.pdf

中文摘要 摘要 集装箱装卸设备操作人员的技术熟练程度对港口生产安全、设备使用效率、使 用寿命及港口经济效益等起着决定性作用。与采用真实设备对操作人员进行培训 相比，采用具有高度仿真效果的集装箱装卸模拟器进行培训，既不影响日常生产， 也避免了培训事故的发生。仿真的控制设备是集装箱装卸模拟器的重要组成部分， 一个逼近真实的模拟器驾驶台能够最大限度地增强系统的物理真实感，提高系统 的培训效果。因此，本论文在结合大连大窑湾集装箱码头实际拍摄的照片、司机 操作手册以及设计图纸的基础上，利用p r o t e ld x p 、k e i lc 编辑器、u s b x p r e s s 驱动程序开发包、v i s u a lc + + 开发环境等开发工具以及单片机c 8 0 5 1 f 3 4 0 、移位寄 存器s n 7 4 l s l 6 5 等，设计并研制了适用于集装箱装卸模拟器的驾驶台操作控制设 备和控制电路，并通过u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口实现控制设 备与计算机之间的通信，实现仿真系统的人机交互。研究的主要内容如下： ( 1 ) 集装箱装卸模拟器驾驶台操作控制设备及控制电路的设计和实现； ( 2 ) 集装箱装卸模拟器操作控制电路中所用单片机固件程序的设计和实现； ( 3 ) 基于u s b 接口的集装箱装卸模拟器控制设备与计算机之间通信的实现。 关键词：集装箱装卸模拟器；模拟器控制台；0 8 0 5 1 f 3 4 0 ；u s b ；固件程序；设备 驱动程序 英文摘要 a b s t r a c t t h et e c h n i c a lo fo p e r a t o r sw h oc o n t r o lc o n t a i n e rh a n d l i n ge q u i p m e n t si sad e c i s i v e f a c t o ri nt h ep r o d u c t i o no fp o r t ，t h es e r v i c el i f eo fe q u i p m e n 鹤a n di t a l s op l a y sa d e c i s i v er o l ei ne c o n o m i cb e n e f i t s ，e t e c o m p a r e dw i mt h et r a i n i n gs y s t e mf o ro p e r a t o r s u s i n gr e a le q u i p m e n t s ，t h ec r a n es i m u l a t o rc a np u ta l le n dt oi n c i d e n ta r o s eb yt r a i n i n g w i t h o ma f f e c tt h en o r m a lw o r ko fh a r b o r t h es i m u l a t i o no fc o n t r o lp a n e le q u i p m e n ti s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fc o n t a i n e rc r a n el o a d i n gs i m u l a t o r a na p p r o x i m a t i o no f t h er e a lc o n t r o lp a n e le q u i p m e n tw i l lm a x i m i z ee n h a n c et h ep h y s i c a lr e a l i t yo ft h e s y s t e m , i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m b a s e do nt h er e a lp h o t o so fa c o n t a i n e rm a n e ，o p e r a t i o nm a n u a la n dd e s i g nd r a w i n g so fo p e r a t i o nc o n s o l e ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h es i m u l a t i o no fc o n t r o lp a n e le q u i p m e n ta n dd e s i g n st h ec i r c u i to fc o n t a i n e r c r a n el o a d i n gs i m u l a t o rw i t hs i n g l e c h i pc 8 0 51 f 3 4 0 ，r e g i s t e rs n 7 4 l s16 5 ，e t c ，a n d t h e nc o n n e c t e dt h ec o n t r o lp a n e lw i t ht h ec o m p u t e rb yu s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i n t e r f a c e ，u s i n gp r o t e ld x p , k e i lce d i t o r , u s b x p r e s sd r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ， v i s u a lc + + d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，e t c t h em a i nk e yw o r k si n v o l v e ： ( 1 ) t h ed e s i g no f t h ec o n t r o lp a n e le q u i p m e n ta n dt h es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i to f c o n t a i n e rc r a n el o a d i n gs i m u l a t o r ； ( 2 ) t h ed e s i g no ft h ef i r m w a r eo ft h es i n g l e c h i pu s i n gi nt h es i g n a la c q u i s i t i o n c i r c u i t ； ( 3 ) t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lp a n e la n dt h e c o m p u t e r , b a s e do nu s b i n t e r f a c e k e yw o r d s ：c o n t a i n e rc r a n el o a d i n gs i m u l a t o r ：t h ec o n s o l eo fs i m u l a t o r = c 8 0 5 1 f 3 4 0 ：u s b ：f i r m w a r e = d e v i c ed r i v e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺塞菱筵菱鲤搓型墨虫控剑遮圣笾墓麴电堕丝让= = 。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：嗖似 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在 年解密后适用本授权书。 不保密口 ( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：袭云k 导师签名： 日期矽哆年 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 第1 章绪论 近年来，随着国际贸易的迅猛发展，国际航运业特别是国际集装箱运输业在各 国国民经济发展中的地位和作用越来越突出，对集装箱的装卸效率也提出了更高 的要求。而装卸设备操作人员的技术熟练程度对港口生产安全、设备使用效率、 使用寿命及港口经济效益等起着决定性作用；同时，集装箱装卸设备又是具有危 险性的特种工作设备，起重机械的操作涉及到财产与生命安全。因此，需要加强 起重机操作人员的培训，提高其业务水平。传统的培训，采用真实设备，由有经 验的师傅手把手地培训，不仅周期长、培训费用高，而且存在事故隐患。 随着虚拟现实技术的发展，使采用集装箱装卸模拟器进行培训成为可能。具有 高度仿真效果的集装箱装卸模拟器采用计算机成像技术，可给训练者提供逼真的 视景系统和操作环境，利用该系统可以进行各种基本操作训练，而且在仿真系统 中还可以方便地设置雨、雪、雾、大风等恶劣天气情况，从而对训练者进行全面 的训练。 1 1 集装箱装卸模拟器研制的意义 目前，我国集装箱装卸模拟器的研究虽然已有一段的时间并取得了初步的成 果，但是相对国外的发展情况，我们还处于起步阶段，和国外先进水平有着较大 的差距。我国部分港口及技工学校已经开始引进集装箱装卸模拟器进行教学和培 训，但大部分操作培训主要还是在港口装卸公司实际的起重机上进行。港口起重 机司机的操作培训大部分是在装卸公司采用师傅带徒弟的方式来完成的。一般来 说，要使一名新手取得上岗证书，大概需要一年左右的时间。这是由于门座起重 机、岸边集装箱装卸桥等是比较复杂而且昂贵的设备，新手操作易产生安全事故 并影响港口的生产效率，同时培训工作也会受天气条件的限制。在跟师傅学习的 一年时间里，学员的实际操作时数总共只有一个月左右，这是由于学员需要一段 时间观摩师傅的操作，然后才能小心翼翼地动手。在内河港口及新建海港，目前 大部分仍未设教育培训中心，往往需要花一定的培训费用把学员派到其它港口培 训或交由港务公司内有经验的司机带【1 1 。可以看出，这种培训方式具有下列不足之 处： 第1 章绪论 ( 1 ) 不安全，容易发生事故； ( 2 ) 需要花费大量的人力和物力； ( 3 ) 在实际设备上进行培训影响了企业的正常生产； ( 4 ) 培训内容欠规范，有随意性，也很难进行处理机械事故能力的训练； ( 5 ) 培训时间比较长。 而利用集装箱装卸模拟器，不仅可以给训练者提供逼真的视景系统和操作环 境，进行各种基本操作训练，而且还可以在仿真系统中设置雨、雪、雾、大风等 恶劣天气情况，从而对训练者进行全面的训练。 可以看出和传统的培训方式相比，采用具有高度仿真效果的集装箱装卸模拟器 进行培训具有以下优点： ( 1 ) 仿真训练器具有很高的安全性，不会出现实际操作中的各种安全事故，减 少了不必要的货损、机损、船损和生命损失等； ( 2 ) 学员在上岗前利用仿真训练器进行培训，可以不受天气及时问的影响，并 减少了到港口上机操作时间，使培训对生产影响降低到最低程度，降低了 培训费用，缩短了培训周期； ( 3 ) 提供了规范化的培训内容，并可对不同水平的学员进行全面的技能培训， 保证了培训质量； ( 4 ) 通过对仿真器软件及硬件的升级和维护，可以模拟不同类型的集装箱装卸 系统，满足对新型设备培训的需要。 1 2 国内外研究现状 继2 0 世纪8 0 年代，荷兰b o s c a t 研制出初级的集装箱装卸模拟器后，集装 箱装卸模拟器进入了快速发展的时俐2 1 。 美国的g l o b a l s i m 公司研制出了m l 4 0 0 0 型实时仿真桥吊模拟器，它的硬 件系统主要包括学生操作站( o s ) 、教师操作站( i o s ) 、显示系统和振动系统等。 学生站包括司机座椅和模拟机型相应的操作台。教练员站包括整个模拟器的计算 系统和控制系统，是模拟器控制的核心【3 1 。 韩国t s b 公司研制的g m q cs i m u l a t o r ( r a i lm o u n t e dq u a y - s i d ec r a n e s i m u l a t o r ) 为训练用起重机模拟器( 有跨轨式岸边起重机) ，它主要由激振系统 2 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 ( m o t i o ns y s t e m ) 、驾驶室系统( a c t u a lc a b i ns t r u c t u r e ) 、视觉系统( 3 dv i s u a ls y s t e m ) 、 教练员系统( i n s t r u c t o rs y s t e m ) 、音响系统( s o u n ds y s t e m ) jc m s 系统( 起重机监视系 统，c r a n em o n i t o r i n gs y s t e m ) 等部分组成【4 】。 新加坡也开发出中型岸边起重机仿真训练器：体积较小，结构简洁明朗。没 有驾驶室和投影屏，采用大屏幕显示器和小巧的座椅操纵台，监视系统也不过一 台小显示器而己。它以p c 机为基础，使用一个固定在可动系统上的商用起重椅和 操纵台，一个大屏幕、高分辨率的虚拟系统。电动激励装在椅子下面，以模拟实 际的颠簸倾斜、摇晃和偏航动作。同时，它还包括了一个和实际起重机一样控制 操作的操纵台以及一个能模仿起重机工况中各种实际声音的音响系统【4 】。 在国内，交通部水运科学研究院于2 0 0 4 年研制成功的港口起重机操纵模拟器 填补了国内在集装箱装卸模拟器领域的空白，它可以主动、实时地模拟岸边集装 箱起重机和轮胎式集装箱门式起重机的操作过程，具有技术领先、场景逼真、动 感强劲、实用性强的特点，十分适合广大港口与院校的使用【5 1 。此外，大连海事大 学、上海海事大学及武汉理工大学等也在进行集装箱装卸模拟器的研究开发。 其中上海海事大学研制的集装箱装卸模拟器，在交通部水运科学研究所研发 的港口起重机操作模拟器的基础上又有了一定的发展。他们开发的集装箱起重机 仿真训练系统集合了驾驶室操作系统、教员台控制系统、三维成像视景系统、音 响系统等模块，可以实现实时操作的大部分仿真功能【4 】。 而我校大连海事大学在集装箱装卸模拟器开发方面，虽然已经取得初步成果， 但仍然处于起步阶段。我校所研制的集装箱装卸模拟器己完成了视景系统的仿真， 能在投影出的虚拟场景中实现集装箱装卸过程中吊臂、吊索、大车、小车等的各 种基本运动，但采用的是键盘控制，用键盘操作来代替驾驶员操作时的各种操作 动作，在现场操作环境( 驾驶室、驾驶员操纵台等) 的开发方面仍在努力。而教 练员控制系统，音响系统，座椅震动控制系统等也有待开发。 此外，大连理工大学，武汉理工大学等也在集装箱装卸模拟器的开发方面取 得了一定的成果【6 】吲。 在模拟器的发展上，国内和国外虽然存在一定的差距，但无论是国内还是国 外，在集装箱装卸模拟器控制台的设计上，均采用了和真实的集装箱起重机相同 的设备，具有很强的物理真实感，而且国外许多机构已经成功研制的模拟器还具 3 第1 章绪论 有学生操作站( o s ) 、教师操作站( i o s ) 、显示系统、声响系统和振动系统等【3 】【4 】 【5 】 o 1 3 本课题的提出 评价模拟器性能的优劣，主要用三个真实感来衡量，它们分别是行为真实感 ( b e h a v i o u r a lr e a l i s m ) 、环境真实感( e n v i r o n m e n t a lr e a l i s m ) 和物理真实感( p h y s i c a l r e a l i s m ) 。 集装箱装卸模拟器的行为真实感主要由所采用的起重机的吊臂、吊索、大车、 小车等运动数学模型所确定，环境真实感主要由视景系统所确定，物理真实感主 要由所采用的仿真驾驶台及仪器设备所确定。这也是高品质集装箱装卸模拟器及 其开发平台项目研究的关键技术所在。 我校所研制的集装箱装卸模拟器已完成了视景系统的设计，能在虚拟场景中 完成集装箱装卸过程中吊臂、吊索、大车、小车等的各种基本运动，即已经确定 了模拟器的环境真实感和行为真实感。而本课题的研究旨在根据真实的集装箱装 卸起重机控制台设备，设计并研制适用于集装箱装卸模拟器的仿真设备和控制电 路，实现仿真系统的人机交互，提高系统的物理真实感。 驾驶台系统主要由操作控制设备和相关的控制电路组成。驾驶台操作控制设 备主要有主令手柄和按钮等输入部件，以及灯和蜂鸣器等信号指示部州8 】。控制电 路主要用来连接计算机和控制设备，以实现计算机和控制设备的通信。为了达到 逼真的仿真效果，美国犹他州的d i g i t r a n 公司【4 】、韩国t s b 公司、交通部水运科 学研究院、上海海事大学等开发的集装箱装卸模拟器，都采用了和真实的集装箱 起重机相同的设备，具有很强的物理真实感。 仿真训练器中的控制设备与计算机之间的通信是整个模拟器的重要组成部 分。它担负着使控制设备中的按钮和主令手柄等发出的各种指令信号能被计算机 接收的任务，同时也要将计算机发出的指令反映到控制设备中的指示灯或者蜂鸣 器上。上海海事大学采用研华公司的p c i 一1 7 5 3 e 型数字信号输入输出卡来实现该 通信功能。该卡直接插在计算机的p c 插槽上使用【9 】。 本论文所设计和研制的驾驶台，采用和真实的驾驶室基本相似的硬件设施以 提高系统的物理真实感；同时选用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机设 4 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 计并制作驾驶台控制电路，并通过u s b 接口实现计算机和控制设备之间的通信， 实现对视景中吊臂，吊索，大车，小车等的控制，从而实现仿真系统的人机交互。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片是一款廉价且完全集成的混合信号片上系统型m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，微控制器) 。它包含了一个符合u s b 2 0 规范的通用串行总线控制 器( u s b ，u n i v e r s a ls e f i a lb u s ) 和一个能提供访问一个全双工同步串行总线能力 的增强型串行外设接口( s p i ，s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 。u s b 可以全速或低速 工作，集成了收发器和端点f i f or a m 。s p i 可以作为主器件或从器件工作，可以 使用3 线或4 线方式，并可在同一总线上支持多个主器件和从器件。这使得采用 c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片作为电路系统的核心，既减少了电路的复杂程度，又使得系统的 软件设计变得相对简洁，这也是该设计采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片的一个重要原因f l o 】【1 1 】。 和上海海事大学采用p c i 一1 7 5 3 e 型数字信号输入输出卡以及其他单位或公司 所研制的模拟器驾驶台系统相比【9 j ，本设计由于采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片自行设计驾 驶台控制电路，电路设计更加自由和灵活，在实现各种功能的同时能最大限度地 简化电路，还能轻易地添加各个功能模块，而且价格也相对便宜。 本论文将就下列问题的研究展开阐述： ( 1 ) 集装箱装卸模拟器驾驶台操作控制设备及控制电路的设计和实现； ( 2 ) 集装箱装卸模拟器操作控制电路中所用单片机固件程序的设计和实现； ( 3 ) 基于u s b 接口的集装箱装卸模拟器控制设备与计算机之间通信的实现。 5 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 2 1 驾驶台系统的总体设计 该仿真驾驶台系统具有信号采集和数据传输的功能，实现了集装箱装卸模拟 器的人机交互。该系统主要包括了仿真驾驶台操作控制设备、控制电路、控制设 备和p c 机之间的通信三个部分，其总体结构图如图2 1 所示。 驾驶台 p c 机 控制电路 电源电路 么主差 上位机应 耋 用程序 单片机最信号采集 士 小系统及 与传输电 外嗣电路 路 u s b 驱动 1 通信 程序 固件程序 图2 1 系统总体结构图 f i g 2 1c o n f i g u r a t i o no f t h ew h o l es y s t e m 驾驶台操作控制设备根据真实的集装箱起重机控制台设计，采用了和其相似 的器件，具有很强的物理真实感。驾驶台控制电路主要包括了单片机最小系统及 外围电路模块( 包含u s b 接口电路) 、电源电路模块以及信号采集与传输电路模 块三大部分，它的主要作用是用来连接仿真驾驶台控制设备和p c 机，以建立系统 的硬件平台。驾驶台控制设备和p c 机之间的通信则是在上述硬件的基础上，通过 单片机固件程序、u s b 驱动程序和上位机应用程序来实现。 2 1 1 系统硬件设计 系统的硬件结构主要包括了仿真驾驶台操作控制设备和控制电路两部分。其 结构如图2 2 所示。 6 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 网 i 路 i i一 图2 2 系统硬件结构图 f i g 2 2c o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e m 仿真驾驶台操作控制设备根据真实的集装箱起重机控制台原型进行设计和制 作，它主要由主令手柄和按钮等输入部件，以及灯和蜂鸣器等信号指示部件构成。 仿真驾驶台控制电路则主要由单片机最小系统及外围电路模块、电源电路模块以 及信号采集与传输电路模块三大部分组成，其中采用了c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机、 s n 7 4 l s l 6 5 八位并行输入串行输出移存器、l m 2 5 7 6 降压型开关电源稳压器、电 容及电感等电子元器件。 在驾驶台控制电路工作过程中，信号采集与传输电路模块先通过多个级联的 移位寄存器采集控制设备主令手柄、按钮等的信号，再由s p i 口传送至单片机； 而单片机既将由s p i 口传送来的信号通过u s b 接口发送给p c 机，又同时接收p c 机通过u s b 接口发送回来的指示和控制等信号，对驾驶台控制设备中指示灯、仪 表、报警蜂鸣器等进行控制。 2 1 2 系统软件设计 系统的软件设计主要包括单片机固件程序、u s b 驱动程序和上位机应用程序 三个部分。其结构图如图2 3 所示。 7 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 图2 3 系统软件结构图 f i g 2 3c o n f i g u r a t i o no ft h es o f t w a r es y s t e m u s b 驱动程序是连接u s b 外设和p c 机的桥梁，是u s b 设备连接到计算机系 统的软件接口。u s b 设备驱动程序的主要任务是接受来自用户程序的读写请求， 把用户的数据传送给设备，或把从设备接收到的数据传送给用户，它通过轮询的 方法或处理来自设备的中断请求来完成数据传输。该系统采用的s i l i c o n l a b o r a t o r i e s 公司生产的c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机，s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司为缩短客户的 开发流程，推出了u s b x p r e s s 开发包。由于开发包里带有相应型号的u s b 驱动程 序，使得用户可以在不加任何修改的基础上，直接使用其进行u s b 设备的开发和 调试。 上位机应用程序与u s b 驱动程序进行通信，产生u s b 数据传送和接收动作。 该系统上位机应用程序是在m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 环境下，利用u s b x p r e s s 开 发包提供的a p i 函数进行开发的，它主要完成p c 机与单片机之间的u s b 通信， 例如向单片机发送控制命令以及接收单片机传送过来的数据等。 固件程序是指固化到微控制器中的程序，固件编程是u s b 设备开发过程中的 主要工作。该系统单片机固件程序的开发是利用u s b x p r e s s 开发包提供的a p i 函 数来实现的，主要完成了c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片的初始化、将采集的驾驶台控制信号送 8 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 至接口芯片缓存区、通过u s b 接口实现向p c 机的数据传送以及接收并执行p c 机 发出的指令等工作。 在整个系统中，c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片是驾驶台控制电路的核心，而u s b 接口则是 仿真驾驶台与计算机( 视景系统) 之间通信的基础。下面本论文分别就c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片、u s b 协议的一些概念和问题以及u s b 设备的设计做一下简单的介绍。 2 2c 8 0 5 1f 3 4 0 单片机系统概述 c 8 0 5 1 f 3 4 0 是由美国s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机中的 一款小型单片机，是完全集成的混合信号片上系统型m c u ，它除了具有与m c s 5 1 内核及指令集完全兼容的微控制器、标准8 0 51 的数字外设部件之外，片内还集成 了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。c 8 0 5 1 f 3 4 0 片内自带有通用串行总线控制器u s b 和增强型串行外设接口s p i 是它区别于同一 系列产品的一大特点。用c 8 0 5 1 f 3 4 0 来进行u s b 技术开发既方便又快捷。它的结 构示意图如图2 4 所示 1 0 】 1 1 】。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 功能部件及特点【1 2 】： u s b 功能控制模块：满足u s b 2 0 协议；可在全速( 1 2m b p s ) 或低速( 1 5 m b p s ) 下运行；集成有一个时钟恢复电路，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；支 持8 个灵活通用的端点；内置一个1 k 的u s b 专用缓冲存储器；集成了一个u s b 接收器，无需要外部电阻。 s p i 功能控制模块：具有访问一个全双工同步串行总线的能力；可以作为主器 件或从器件工作；可以使用3 线或4 线方式；并可在同一总线上支持多个主器件 和从器件。 高速的8 0 5 1 微控制内核：采用流水线的指令结构，其中7 0 的指令执行时间 为l 或2 个机器周期；4 8 m h z 的时钟频率，速度可达4 8 m i p s ；可扩展的中断系 统。 模拟外设：l o 位的a d c ( 士i l s bi n l ) ，其最大可编程转换速率可达2 0 0 k b p s ， 可多达1 7 个外部输入，可编程为单端输入或差分输入，内置一个温度传感器 ( 士3 ) ；2 个模拟比较器，2 4 v 的内部电压基准。 数字外设：4 0 个i o 口线，每个口线都耐5 v 电压；可同时使用硬件增强型s p i ， 9 第2 章集装箱装铒i 模拟器驾驶台系统的总体设计 s m b u s 和2 个u a r t 串口；4 个通用1 6 位计数器定时器；一个可编程的1 6 位计 数嚣阵列，有5 个捕捉t h 较模块。 目2 4c 8 0 5 1 f 3 4 0 结构示意图 f i g2 4c o n f i g u r a t i o no f c 8 0 5 i f 3 4 0 时钟源：内部振荡器，精度为o2 5 ，支持所有u s b 和u a r t 模式；外部振荡 器，分为晶体、r c 、c 或外部时钟。 供电电压：片内稳压器支持u s b 总线供电：片内稳压器旁路支持u s b 自供电。 存储器：4 3 5 2 b 的内部数据r a m ( 2 5 6 + 4 k b ) ；6 4 k b 的闪存；扇区太小5 1 2 b ； 工作温度范围：- - 4 0 + 8 5 。 片内调试模块：片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试( 不需仿真器) ： 支持断点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察修改存储器和寄存器。 工作电压：27 7 v 52 5 v 。 由于c 8 0 5 1 f 3 4 0 内部配备强大的功能模块大大简化了u s b 技术的开发，本论 文所设计的集装箱装卸模拟器控制台系统，采用了c 8 0 5 1 f 3 4 0 自带的s p i 口和u s b 接口来完成采集数据、控制信号的传输以及驾驶台控制设备与计算机之间的通信， 简化了电路的设计，同时使软件的设计工作简单化。而且s p l 控制器、定时器、 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 u s b 控制器相互独立工作，不需要8 0 5 1 内核的过多干预。因此采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 芯片作为该系统电路的核心，是一个较理想的选择。 2 3u s b 协议的一些关键概念和问题的说明 u s b ( u n i v c r s a ls e r i a lb u s ) 是近年来应用在p c 领域的新型接口技术，它是由一 些p c 大厂商( 如m i c r o s o r ，i n t e l 等) 为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插 槽和端口之间的矛盾而制定的一种通用串行接口。u s b 接口具有许多优点，如接 口简单、速度快、支持即插即用和热插拔等。为了设计这个u s b 设备，我们首先 必须充分理解u s b 总线协议。本节就u s b 协议2 o 中一些关键概念和问题作一个 简单介绍【1 3 】【14 】 i s 】。 2 3 1 u s b 主机和u s b 设备 u s b 通信中居于核心地位的是主机( h o s o ，常见的u s b 主机是p c 机。任何一 次u s b 的数据传输都必须由主机发起和控制；所有的u s b 外设都只能和主机建立 连接；任何两个外设之间或是两个主机之间都无法直接通信。所以，u s b 主机和 u s b 设备的功能是不同的。 u s b 主机的功能有： ( 1 ) 如果需要，通过u s b 接口给外设提供电源( 外设也可以自带电源) 。 ( 2 ) 检测和配置设备( 即设备的枚举) 。如：它必须检测出设备的连接和拔除，了 解设备的功能，给设备分配地址等。 ( 3 ) 错误检查和管理数据的传输。这些由u s b 接口硬件保证，不必编程处理。 ( 4 ) 根据设定的传输方式与外设交换数据。 u s b 设备的功能有： ( 1 ) 管理电源。设备可以由u s b 接口获取电源，也可以有自己的电源。设备 在u s b 接口无通信作用超过3 m s 后应进入低耗电的暂停状态。 ( 2 ) 检测通信。每一个设备都要检测通信信息包中的地址是否和本设备的地址 相符，如果不符，设备就会忽略本次通信，这由u s b 接口硬件自动进行 处理。在设备一开始连上u s b 接口时，使用固定的默认地址o ，然后u s b 主机在检测阶段会给设备分配一个地址，以后的通信都按这个地址进行。 ( 3 ) 通信数据的错误检查。由u s b 接口硬件保证，不必编程处理。 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 ( 4 ) 响应请求。主机在检测到有设备连接上以后，会按u s b 协议发送相应的 设备请求来了解设备的类型和能力，并对设备进行一些配置( 如设定地址和 配置描述符) ，设备应能响应这此请求，并返回相应的应答数据。 ( 5 ) 根据设定的传输方式与主机交换数据。 2 3 2u s b 主机和u s b 设备之间数据的传输方式 目前，u s b 协议规定了四种数据传输方式： ( 1 ) 控制传输。主要用于主机对设备的检测和配置。 ( 2 ) 中断传输。用来支持那些偶然需要数据通信，但服务时间受限制的设备。 中断传输常常用在键盘、鼠标和游戏杆等设备上。 ( 3 ) 批量传输。批量传输也称块传输，它适合使用在时间不重要的场合。批量 传输可以传输大量的数据而不会阻塞总线，因为它会让其他类型的传输先 执行，以等待可以传输的时间，如用于磁盘操作。 ( 4 ) 同步传输。适合用于以固定速率进行，而对数据的正确性要求不是非常高 的传输，如实时语音传输。 2 3 3 设备的端点 任何的数据传输都是传递到一个u s b 设备( 确切地说是u s b 接口器件) 的端点 ( e n d p o i n t ) ，或是由一个u s b 设备的端点发出。可以把端点简单地理解成u s b 接 口器件中的一个缓存器，用来作为数据的缓冲区，它由相应的控制寄存器和状态 寄存器来管理。储存设备端点中储存的可能是接收到的数据，也可能是等待要送 出的数据。主机也有接收与传送数据的缓冲区，不过主机并没有把它定义成端点， 而是当作与设备端点通信的出发点( s t a r t i n g p o i m ) 。一个u s b 设备可能有好几个端 点，每个端点可以设置成输出或输入方向以及控制、中断、批量或同步传输方式 中的一种。因为主机一开始是通过端点0 来检测和配置设备的，所以每个设备都 必须有一个端点0 ，而且其传输方式必须是控制传输( 一般u s b 接口器件默认支 持) 。除此之外，设备很少需要其他的控制端点。u s b 协议定义了1 1 个标准请求 命令，用于在端点0 以控制传输方式来检测和配置设备。 2 3 4 设备的描述符 u s b 主机是通过请求u s b 设备的一系列描述符来获取设备的信息的。描述符 1 2 集装箱装卸模拟器中控制设各仿真和电路设计 是一种定义好的数据结构，其中可能包含整个设备的信息，或是设备中的一个组 件的信息。主机请求描述符，设备回复描述符。目前，u s b 协议定义了三种类型 的描述符： ( 1 ) 标准类型。用于提供设备的基本信息。标准类型的描述符主要有：设备描 述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符等。 ( 2 ) 设备类别特定描述符。用于提供设备更详细的信息。如h i d 类( 人机接口 类) 设备的类别特定描述符串中h i d 描述符和报表描述符，就可以用来描 述设备究竟是一个鼠标还是一个键盘。如果是鼠标，则报表描述符的数据 就是鼠标的按键和位移。 ( 3 ) 厂商特定描述符。也是用于提供设备的一些更详细信息，不过它是由厂商 自己定义的，不像设备类别特定描述符那样是u s b 规范定义的。 如图2 5 所示，每个设备只能有一个设备描述符，每个设备描述符可以有多个 配置描述符，每个配置描述符可以有多个接口描述符，每个接口描述符可以有多 个端点描述符。字符串描述符( 可选) 定义了可能用到的字符串，其他的描述符可以 根据字符串描述符中相应的索引值来引用相应的字符串。 u s b 主机在一个控制传输的u s b 设置事务的数据信息包中，用g e t d e s c r i p t o r 标准请求( 对应的请求码为0 x 0 6 ) 来请求各种标准描述符；设备通过 相应的字段识别出主机请求的到底是哪一种描述符，并返回相应的描述符和联络 信号。这是u s b 设备的固件编程所要做的工作之一。 没蓊描述符 配霞描述荷| l 就霞描述符 接ll 描述符i | 接l1 描述符 端点摘述符l l 竭点描述持 图2 5u s b 设备描述符 f i g 2 5u s bd e v i c ed e s c r i p t o r 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 2 3 5u s b 数据信息包的格式 信息包( p a c k e t ) 是u s b 传输数据组织的基本形式，其具体意义和实际内容通过 相应的一系列字段来表示，有的字段在u s b 协议中有定义好的关键字。信息包的 字段类型有： ( 1 ) s y n c 字段，用于信息包的开始与同步，它由硬件自动处理。 ( 2 ) p i d 字段，信息包标识符( p a c k e di d e n t i f i e r ，p i d ) ，信息包共有四种类型： 令牌、数据、联络和特殊，四种类型共对应1 6 个p i d 码。 ( 3 ) 地址字段，用于指明u s b 主机究竟是要和哪个设备通信，设备的地址初 始默认为0 ，主机会在设备检测阶段给设备分配一个地址。 ( 4 ) 端点字段，用于指明u s b 主机究竟是要和设备的哪个端点进行通信。如 前所述，一个设备可以有多个端点。 ( 5 ) 帧号码字段，u s b 主机把u s b 总线上的实际数据传输按时间分割成一块 块的帧( f r a m e ) 或微帧( m i c r of r a m e ) 。对于全速和低速的设备，主机将传输 分成1 毫秒的帧，对于高速设备主机将传输分成1 2 5 微秒的微帧。帧号码 字段就是用于识别特定的帧或微帧，它由硬件自动处理。 ( 6 ) 数据字段，为实际要传输的数据。 ( 7 ) 校验字段，用于信息包的数据校验，它由硬件自动处理。 下而对p i d 字段作进一步的说明，因为这个字段对于理解信息包的概念至关重 要。u s b 协议规定数据传输由事务( t r a n s a c t i o n ) ( 事务的概念见2 3 6 的介绍) 组成， 而事务由信息包组成。一般来说，大多数事务包含三个信息包：令牌信息包、数 据信息包和联络信息包。信息包根据p id 字段( u s b 协议定义了1 6 个p i d 码) 来区 分不同的类型。令牌信息包有四种类型： ( 1 ) o u t ，表示主机输出数据到设备； ( 2 ) i n ，表示主机从设备读取数据； ( 3 ) s o f ，表示标号开始； ( 4 ) s e t u p ，专门用于控制传输的设置事务。 数据信息包和联络信息包也有各自的p i d 码，这里不再细述。其中，只有o u t ， i n 和s e t u p 类型的令牌信息包中需要指定地址字段和端点字段。这也容易理解， 因为既然称为“令牌 ，当然首先要确定和哪个设备以及设备的哪个端点进行通 1 4 集装箱装卸模拟器中控制设备仿真和电路设计 信。由此也可以看出，u s b 在数据传输中使用的是软件联络方式，所以大大简化 了接口形式。而常用的r s 2 3 2 串行通信还有一些硬件的联络方式，如r t s 和c t s 信号线。虽然r s 2 3 2 串行通信中也可以使用一些简单的软件联络方式，如x o n 和x o f f 码，但与u s b 的软件联络方式相比就显得太简单了。 2 3 6 事务 u s b 协议规范将事务定义为“将一个服务传送到一个端点 ，这里的服务指 的是主机传送信息给设备，或是主机从设备接收信息。每一个传输可以包含一笔 或多笔事务，而每一笔事务可以包含一个、二个或三个信息包，可以把信息包理 解为数据传输物理上的基本单位。大部分事务都包含三个信息包：令牌信息包、 数据信息包和联络信息包。根据令牌信息包的p i d 标识，事务一般分为三种类型： 输入( i n ) 事务、输出( o u t ) 事务和设置( s e t u p ) 事务。每一种传输类型( 控制、中断、 批量以及同步) 包含一个或多个阶段，而每一个阶段包含一个或多个事务。具体说 来，在控制传输中，一般包含设置事务阶段( 对应于设置事务类型) 、数据阶段( 对 应于输入或输出事务类型) 以及状态阶段( 对应于输入或输出事务类型) ，而中断、 批量以及同步传输中只包含数据阶段。这其中，设置阶段包含一个设置事务( 由令 牌信息包、数据信息包和联络信息包组成) ；数据阶段可能由多个事务组成，一般 每个事务也是由令牌信息包、数据信息包和联络信息包组成的( 只有同步传输的数 据阶段的事务中不包含联络信息包) ；状态阶段包含一个事务，该事务也是由令牌 信息包、数据信息包和联络信息包组成，不过数据信息包的内容为空，状态阶段 只用于控制传输，以表明整个控制传输是否成功。 2 3 7u s b 设备驱动程序的加载 在主机从设备描述符了解到设备的信息后，它会寻找一个最合适的驱动程序来 管理主机和设备的通信。在选择驱动程序时，w i n d o w s 会试图将系统的i n f 文件内 的信息与从设备内读出的厂商和产品d 以及版本号作比较，如果相符，就根据相 应的i n f 文件加载驱动程序。如果w i n d o w s 找不到合适的i n f 文件，它会显示一个 “添加新硬件向导”来让用户指定驱动程序。 1 5 第2 章集装箱装卸模拟器驾驶台系统的总体设计 2 4u s b 设备的设计 2 4 1u s b 设备的设计概述 u s b 规范定义了许多设备类型，用不同的设备类别码和接口类别码来表示， 如h i d ( h u m a n i n t e r f a c ed e v i c e ，人机接口类设备) 设备类别码是o x 0 0 ，接口类别码 是0 x 0 3 ，h i d 类的设备有键盘、鼠标以及游戏杆等；m a s ss t o r a g e ( 大容量存储设 备) 的设备类别码也是o x 0 0 ，而接口类别码是0 x 0 9 ，m a s ss t o r a g e 类的设备有软盘、 硬盘、光盘以及f l a s h 盘等；其他还有显示器类、通信设备类、音频设备类等。 u s b 规范中还有一个特别的v e n d o rs p e c i f i c 类设备，用于厂商自定义设备类型， 其接口类别码为o x f f 。所以，设计者总是可以找到一种适合自己要设计的设备类 型【1 5 1 。 设计u s b 设备时，首先要