（机械电子工程专业论文）集装箱起重机仿真训练器中基于arm的智能接口系统.pdfVIP

摘要 y1 0 0 8 5 1 3 随着航运事业的飞快发展，港口机械对操作人员的技能提出更高的要求。港 口集装箱起重机仿真训练器的研制，培养高素质的操作人员已成为形势的迫切需 要。f l z 0 0 0 年开始，我校研制的仿真训练器，性能逐渐完善，但采用的p c i 采集 卡接口系统这个模块连接复杂，实时性不够。因此，随着嵌入式系统的广泛应用， 为了解决接口的问题，本文将利用a r m 嵌入式系统开发新型的基于以太网的嵌 入式智能接口系统。 本论文的主要研究工作如下： 1 、针对仿真训练器中原有接口系统存在的问题，基于a r m 嵌入式系统以及 c p l d 系统可编程( i s p ) 理论，分析了采用嵌入式系统构建新型智能接口系统的可 行性及其优势，提出了对原有接口系统的改造方案。 2 、完成了基于a r m + c p l d 嵌入式接口系统的硬件设计和功能实现，并绘制了 相关硬件原理图。硬件系统模块主要包括：f l a s h 存储器系统模块、r s 2 3 2 接口 模块、音频接口模块、以太网接口模块。 3 、针对上述的硬件设计方案，完成了接口系统的相应软件设计和功能实现。 这包括：通过分析e p 9 3 3 1 2 的b o o tr o m 的启动过程，构建了一个b o o tl o a d e r ： 实现了对f l a s h 的编程以及r s 2 3 2 串口的发送和接收；编制了a c 9 7 音频模块的 驱动，实现了2 2 k h z 双声道p c m 格式声音的播放和录制；特别是在充分分析 e p 9 3 1 2 以太网控制器收发机制的基础上，编写了以太网驱动和u d p 、a r p 、i c m p 协议解析程序，实现了u d p 下载以及接口系统和上位机的u d p j 蘑信； 4 、集成和整合了接口系统的软硬件，根据仿真训练器的实际运行要求，对 接口系统进行了方案验证，并对验证结果进行了相应的分析和总结。 本文研究的将嵌入式系统与仿真训练器相结合的智能接口系统方案能较好 地解决训练仿真器存在的接口问题，并可集成相关的声响系统。从而，为解决仿 真训练器的通讯接口问题及功能扩展提供了一种新的思路与方法。 关键词：仿真训练器；嵌入式系统；以太网；a r m ；c p l d ；a c 9 7 w i t ht h es t r o n gd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n a t i o n a ls h i p p i n g t r a n s p o r t ，p o r t m a c h i n e sh a v eb r o u g h tf o l w a r dt h eh i 曲e rr e q u i r e m e n to ft h es k i l lo fm a c h i n e o p e r a t o r t h u s ，i ti sh i g h l yn e c e s s a r yt ow o r ko nap o r tc r a n et r a i n i n gs i m u l a t o ra n d d e v e l o ps k i l l e do p e r a t o na l t h o u g ht h et r a i n i n gs i m u l a t o rd e v e l o p e db ys m u s g r a d u a l l yi m p r o v e di nf u n c t i o nf r o m2 0 0 0y r s t h ec o m m u n i c a t i o no fd a t ao f t e nh a s s o m ep r o b l e m sw i t ht h er e a l t i m ef u n c t i o na n dc o m p l e x i t yb yu s i n gp c id a t a a c q u i s i t i o nc a r d b e c a u s eo ft h i s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e ds y s t e m ，t h i sp a p e r w i l ld e s i g nan e we m b e d d e di n t e l l i g e n ti n t c r f a c os y s t e mb a s e do na r i v le m b e d d e d s y s t e mt oe f f e e t i v e l ys e t t l et h ee x i s t i n gp r o b l e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w e d ： 1 b ya n a l y z i n gt h ea v a i l a b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h e m e t h o do fi n t e l l i g e n ti n t e r f a c es y s t e mi sb r o u g h tu pb a s e do ne m b e d d e da r m s y s t e m a n dc p l d a n db yt h i sm e t h o d t h ep r o b l e me x i s t i n gi ni n t e r f a c es y s t e mo fo r i g i n a l s i m u l a t o rc a l lb es o l v e d 2 工h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e di n t e r f a c es y s t e mi sw o r k e do u t a n di t s r e l e v a n tf u n c t i o ni sr e a l i z e d a n dd e s i g n e di t sc o r r e s p o n d i n gp r i n c i p l ed r a w i n g n e h a r d w a r es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h e s ep a r t s ：h 峪hm e m o r ys y s t e m s e r i a l sa n d a u d i oa sw e l la se t h e r n e t 3 t h es o f t w a r ed e s i g na n df u n c t i o no ft h ei n t e r f a c es y s t e mi sc o m p l e t e di n f o l l o w i n gw a y s ：a n a l y z i n gt h es t a r t u pp r o c e s so fb o o tr o mt oc o n s t r u c t ab o o t l o a d e r ；r e a l i z i n gt h ep r o g r a m m i n go ff l a s ha n dr e c e i v i n ga sw e l la st r a n s m i t t i n go f s e r i e s ；c o m p i l i n gt h ea c 9 7c o d e cd r i v ep r o g r a mt op l a ya n dr e c o r dw a v ew h i c hi s s a m p l e db y2 2 k h zf r o ms t e r e oc h a n n e i s a n dt h e e t h e r e a ld r i v e ra n dp r o g r a mw h i c h i n c l u d i n gu d p ，a r p ，i c m pp r o t o c o lp a r s i n gi sd o n et of i n i s ht h ed o w n l o a do fw a v e d a t aa n dt h ec o m i n u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e r f a c ea n dr e m o t es y s t e mt h r o u 曲u i ) p p r o t o c o lo nt h eb a s i so fa n a l y z i n g 也ee t h e r n e tc o n t r o l l e ro fe p 9 3 1 2 4 f i n a l l ut h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ei n t e r f a c es y s t e ma r ei n t e g r a t e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft r a i n i n gs i m u l a t o r , t h ec o r r e s p o n d i n g v e r i f i c a t i o ni sd o n ea n dt h er e s u l to fv e r i f i c a t i o ni sa n a l y z e d s o m ec o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e d t h ei n t e l l i g e n ti n t e r f a c es y s t e mc a nc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o no fd a t a e f f e c t i v e l ya n dc a nb es e r v e da sas i m u l a t i n gs o u n ds y s t e ma sw e l l ，w h i c hc a np r o v i d e an e ww a yf o rs o l v i n g 也ep r o b l e mo fi n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o na n do t h e re x t e n d i n g f u n c t i o ni nt r a i n i n gs i m u l a t o r k e y w o r d s ：t r a i n i n gs i m u l a t o r ；e m b e d e ds y s t e m ；e t h e m e t ；a r m ；a c 9 7 ；c p l d y es h a n p e i ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y v i c e p r o f l i a n gg a n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：芝j i 鍪二连日期：鲨： ：哕 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 1 1 课题的提出 第一章绪论 随着全球经济一体化步伐的加快和国际航运事业的飞速发展，港口装卸作业量成 倍地增长。港口起重机械设备也随之日益高速化、大型化及自动化，设备成本日益增 高，对操作人员技能及素质要求也愈来愈高，操作人员的技术熟练程度对港口生产安 全、设备使用效率和寿命、港口经济效益起着决定性的作用。起重机械是具有危险性 的特种工作设备，西方主要发达国家对起重机械司机的操作培训进行了立法，规定必 须到政府批准的培训中心参加培训，取得资格证书以后，方可从事此项工作。我国国 务院去年颁布的“特种设备安全监察条例”也将起重机械列入危险性较大、涉及生命安 全的特种设备。规定使用单位必须对作业人员进行教育和培训；作业人员必须经特种 设备安全监督管理部门考核合格，取得特种作业人员证书方可从事相应的作业。因此 研制安全、高效、低能耗的港口起重机械仿真训练器，培养大批量高素质、熟练的港 口机械操作人员已成为形势的迫切需要。 自从8 0 年代以来，以美国为首的仿真器已经从研究阶段进入到应用阶段。到目前 为止，韩国、荷兰、新加坡等国家也已经研制出了自己的仿真器。而国内在此领域的 研究起步较晚，自1 9 9 8 年1 2 月上海港务局教育培训中心开发的比例式起重机模拟器以 来，最有影响力的几个研究机构当属交通部水运科学研究所、武汉交通科技大学、大 学海事大学等相关单位。我们学校自2 0 0 0 年也开始这方面的研究，并研制出了自己的 仿真训练器。随着研究的深入和计算机技术的发展，我们的仿真训练器在各个功能系 统模块均取得较大的进步，特别是在接口系统这一个子系统方面，更是从当初的p l c 数据采集接口系统发展到后来的p c i 数据采集接口系统，使得整个仿真训练的实时性、 高效性不断增加。 接口系统是仿真训练器极其重要的一个子系统，被训练者在操作台进行的任何操 作都必须通过接口系统才能与上位机通信。否则，仿真训练器的上层系统均无法正常 工作。不可避免的是，仿真训练器的各个系统发展并不是平衡的。仿真训练器视景仿 真系统的软硬件的快速发展，要求与控制台系统自q 数据交互越来越频繁，也因此对接 口系统提出了更高的要求。我们发现，目前使用的p c i 采集卡接口系统这个模块总是 不能很好地满足仿真训练器的要求，并成为仿真器系统结构发展的一个主要问题。其 连接复杂、易断，传输距离有限，一旦发生错误，就会导致整个系统的崩溃。因此， 我们迫切要求能够开发出自己的接口系统。与此同时，我们也看到了数字电路和嵌入 式系统的应用前景。为了得到更好的数据传输和交互，我们将目光投向了这个领域， 经过了长期的准备，也取得了初步的成效。本文将研究如何利用c p l d 数字电路和 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 a r m 嵌入式系统开发新型的智能接口系统。 1 2 国内外集装箱起重机仿真训练器的研究现状 1 2 1 国外集装箱起重机仿真训练器的研究现状 r m q cs i m u l a t o r 限a i lm o u n t e dq u a y s i d ec r a n es 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) 。它是韩国t s b 公司研制产品。t s b ( t o t a ls o f tb a n kl t d ) 公司全称物流软件专门系统公司。 2 荷兰鹿特丹集装箱起重机仿真训练器 下图为荷兰鹿特丹航运交通大学中的一个集装箱起重机仿真训练器。主要由驾驶 室操作台和图像投影组成，同样包括音响系统和教员台监控系统。 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 3 新加坡中型集装箱起重机仿真训练器 这种仿真训练器使用和一般集装箱起重机仿真训练器同样先进的软件和3 d 图 像。然而，它以p c 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，操作台和实际起重机一样控制操作。图像生成 于大屏幕、高分辨率显示器上，并根据操作台的输入实时改变。图像中，起重机的外 形构造、起升机构、负载、缆绳和障碍物都给出了详细描绘。安装在座椅下的电动激 励系统模拟正常情况下的颠簸振动，碰撞时的摇晃，以及重物提升，小车行走和大车 移动时的动载冲击。一个高精度的音响系统模仿起重机工况中各种实际声音，包括电 机声、油泵声、铁轨声、碰撞声和其它运行中的声音。 4 便携式岸边起重机仿真训练器 整个便携式岸边起重机仿真训练器装在一个工用箱内。这个牢固的箱子包括个 显示器，两个操作手柄，和一个控制面板。控制面板上有各种按钮、开关和指示灯， 均按实际情况仿造。这种经济实用的便携仿真器在一个完全安全和虚拟的环境中赋予 培训者实战经验。 便携式仿真器的构造使操作者能把它带到工作现场。在那里，操作者能熟练完成 各种复杂操作，而不必事先在昂贵设备前接受训练。这种方便经济的系统即可以单独 使用，也可以和大型系统结合使用，让操作者演练更严格的操作，包括防摇控制，吊 具旋锁开闭，及起重机启动和急停。 1 2 2 国内集装箱起重机仿真训练器的研究现状 综合各方面的调套资料表明，我国还没有能具备十分完善功能的港口起重机仿真 训练器，而国外产品由于价格昂贵使一般港口无法接受。因此我国迫切需要自己能够 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 研制出仿真训练器，以填补我国在这方面的空白。但是国内有此综合机一电一液、训 练器仿真运算模型等综合能力的研究机构不是很多。目前，国内开展仿真训练器研制 的研究机构不到5 家。 从2 0 0 0 年开始，上海海事大学开始了集装箱起重机仿真训练器的研制开发工作， 并结合外面公司企业的项目要求，研制了自己的集装箱起重机教学仿真训练器。经过 多年的不断改进，已经多次获得理论和技术上的突破，仿真器的仿真效果越来越逼真， 功能也越来越强大，仿真实时性强( 数据采集、计算及传输的时间间隔小于3 0 m s ， 图像显示届0 新频率大于3 0 帧，s ) ；具有逼真的人机界面，有较强的沉浸感：且具有强 大的人机交互功能，能实现完全魄实时主动操作。实践证明用计算机的仿真性能能够 部分或绝大部分地代替实机的操作培训。 但在开发过程中，我们在控制台的接口系统这个方面遇到了一些阿题，由于操作 台与上位枫的通信是采用工控机+ p a 数据采集卡这个方法来实现的，在长期的使用 过程中，我们发现了以下几个局限性： 1 采集卡多为外面现成购买，硬件上不易改动，软件上数据的采集是通过调用其 厂家提供的驱动模块实现的。一旦发生数据传送失败，我们将束手无策。 2 采集卡的i ，o 连线很细，易断，不易焊接，使用过程须很小心。 3 它对硬件的利用率不高，为了采集数据不得不配一台工控机和p c i 数据采集卡， 不但安装麻烦，价格昂贵。 4 受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差。 5 占地面积大，如果配有多台训练器。那整个设备将相当庞大，中间环节增加， 降低了系统的可靠性。 6 p c 睬集卡的结构导致操作台出来的i o 线只能和工控机相连，操作台和控制室 相隔多远，连线也必须多远。造成控制室连线零乱，复杂而且传输距离也受到限制， 如果控制室和操作台距离较远时，难以保证信号传输的正确性。 7 很难实现仿真训练器的多机互连及远程通信。 以上这些问题在较长的时间内并不能得到很好的解决，我们也尝试了多种不同的 方法但没有取得成功。最终我们不得不尝试用新的思维去考虑问题，将目光投向了嵌 入式系统这个领域。 1 3 嵌入式系统的研究发展状况 随着微电子技术的不断创新和发展，嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领 域，已深入到社会的方方面面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 大，使得嵌入式系统本身就成了一个相对模糊的定义。在一般情况下，嵌入式系统被 定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的 计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点 就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 它是计算机应用的另一种形态，与通用计算机应用不同，嵌入式计算机是以嵌入式系 统的形式隐藏在各种装置、产品和系统之中的一种软硬件高度专业化的特定计算机系 统。作为一个系统，往往是在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下逐渐趋于稳定和 成熟。 现在的嵌入式系统硬件一般作以下分类：嵌入式微处理器( e m p u ) 。嵌入式 微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电 路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本 是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。嵌 入式微控制器( m c t 0 。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部 集成r o m r a m 、总线、总线逻辑、定时肼数器、i o 、串行口、a d 等各种必要功 能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的m c u 具有多种衍生产品，每种 衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以 最大限度地和应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。d s p 处理器。d s p 处理器对 系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执 行速度也较高。在数字滤波、f f t 、频谱分析等方面d s p 正在大量进入嵌入式领域。 嵌入式片上系统( s 0 c ) 。随着e d a 的推广和v i s i 设计的普及化及半导体工艺的迅 速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e mo n c h i p 。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外 设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的v h d l 4 亭语言描述，存储在器件 库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂 制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一 块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠 性非常有利。 1 4 课题研究目的和意义 本文研究了集装箱起重机仿真训练器的智能接口系统，该接口系统不但代替了传 统的p c i 采集卡接口系统，能良好地完成了仿真训练器在实时仿真过程中所必须的和 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 控制台的信号交互工作，而且还集成了仿真训练器音响系统的功能。该接口系统除具 备便捷的优势外，而且通信性能良好，编程接口方便，利用以太网的通信特点可以方 便地接入到局域网中，实现一主机+ 多仿真器控制台结构。此外，利用c p l d 的灵活控 制和可编程性，甚至只需要进行少量的软件修改便可搭建多种不同类型的起重机仿真 器控制台接口，具有广泛的应用前景。 1 嵌入式系统的应用与仿真训练器研制相结合，提出了一种新的解决仿真训练器 通讯接口问题的思路与方法。 2 在对嵌入式系统直接连入i n t e r a c t 的技术，特别是以a r m 为核心的嵌入式系 统的直接上网的技术进行了深入的研究的基础上，采用a r m + 网络协议栈芯片上网的 方案，大大缩短了产品开发的周期。 3 提出了单微处理器芯片系统中多模块并行运行，由单微处理器芯片系统实现复 杂功能的思想和设计方案，该方案有利于快速可靠地建立起商速运行的模块化系统。 4 构建了a r m + c p l d 结构的通用仿真器接口平台，该平台具有相当的灵活性和 可扩展性，可以移植到不同类型的仿真训练器比如轮胎吊、龙门吊、门座起重机等仿 真训练器，甚至是不同的系统。 1 5 主要研究内容 本课题把基于以太网和c p l d 的嵌入式系统架构应用于小型的集装箱起重机仿 真训练器。独创性地利用a r m 技术，以太网接入技术，以及c p l d 的优势，研制出 y d , 型的集装箱起重机仿真训练器的智能接口系统，集成了传统的p c i 数据采集卡的 数据采集及通信功能，而且能独立完成多种工作，能在很大程度上减轻系统的工作负 担。这种小型的仿真训练器主要功能齐全，但配置简单、体积小、成本低，同时克服 了传统的工控机在数据采集与通信控制方面的缺点。为仿真训练器的软、硬件开发方 式提供了新思路，具有重要的实用价值和广泛的应用前景。本文的主要工作内容如下 所示，其中第四章和第五章为本文的主要工作。 第一章为绪论，在对集装箱起重机仿真训练器和嵌入式系统发展状况综述的基础 上，对课题的总体研究思路和论文的主要研究工作进行了说明。 第二章为集装箱起重机仿真训练器简介，介绍了集装箱起重机仿真训练器的系统 结构和功能结构。 第三章为基于以太网和c p l d 的智能控制接口系统，主要对后续章节中所涉及到 的技术和协议进行了相应的论述和说明。 第四章为接口系统硬件设计和实现，研究实现基于a r m + c p l d 嵌入式接口系统的 硬件原理设计，并绘制了相关硬件原理图纸。本文根据系统的功能要求，把系统分为 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 a i 蝴模块和c p l d 模块分别进行设计。a r i v l 模块包括电源及复位模块、存储系统模块、 r s 2 3 2 串口模块、1 0 m 1 0 0 m 以太网模块、j t a g 接口模块。c p l d 模块包括控制台输 入输出模块和与a r m 通讯模块。 第五章为接口系统硬件设计和实现，针对上述的硬件设计方案，完成了接口系统 的相应软件设计和功能实现，编写了相关的驱动程序和应用程序。主要包括：通过分 析e p 9 3 3 1 2 的b o o tr o m 的启动过程，构建了一个b o o tl o a d e r ；实现了对f l a s h 的编 程以及对r s 2 3 2 串口的发送和接收；编制了a c 9 7 音频模块的驱动，实现了2 2 k h z 双 声道p c m 格式声音的播放和录音；特别是在充分分析e p 9 3 1 2 架构的以太网控制器收 发机制的基础上，编写了以太网驱动和u d p 、a r p 、i c m p 协议解析程序，实现了u d p 下载以及接口系统和上位机的u d p 通信；集成和整合了接口系统的软硬件，根据仿真 训练器的实际运行要求，对接口系统进行了方案验证，并对验证结果进行了相应的分 析和总结。 第六章为结论与展望，对本文的主要研究结果进行了相应的总结并对该研究方向 今后的工作进行了阐述和说明。 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 第二章集装箱起重机仿真训练器简介 2 1 集装箱起重机仿真训练器硬件结构 根据对集装箱起重机整体结构和系统工作过程的分析，可以确定，其仿真训练器 的体系结构主要包括三个方面： 1 学员( 即驾驶司机) 使用的驾驶室操作系统。包括完整的司机驾驶室内的操作 台( 由实际机型确定) ，即具有如集装箱起重机的吊具运动，小车行走，大车行走， 前大梁俯仰等各机构操作的各开关、按钮，以及相应的指示灯等。 2 内部运行的系统数学模型。实现起重机装卸货物( 装船、卸船) 实时操作的仿真 功能，能模拟出机构启动、运行、制动时司机学员各种真实的感觉，其中包括人的感 官对视景、声响、振动等的真实感觉。这是仿真训练器的核心部分内容。 3 教员使用的教员台控带4 系统。使教员在教员控制台能通过安装在驾驶室内的摄 影机和教员台的下视场景显示屏实时了解学员的操作情况。通过教员台主机调整教学 内容，如设置天气状况( 晴天、多云、阴天以及白天、夜晚的作业情况) 、设定不同风 速及风向，设定起重量、设置船舶倾斜角度、设置故障让学员处理等等。教员台能够 记录学员的全部操作过程，并在操作结束后进行记录回放，同时也能根据训练者的操 作熟练程度、出现的错误操作及事故处理应变能力等进行操作评估。 据此，可以确定集装箱起重机仿真训练器的体系结构如图2 1 所示。 图2 1 集装箱起重机仿真训练器体系结构图 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 2 2 集装箱起重机仿真训练器功能结构 集装箱起重机仿真训练器按功能进行分解。共分为教员台控制子系统、评分子系 统、仿真子系统三个子系统。这样模块化的设计不但有助于软件的早期开发，也有利 于后期的软件维护与系统的功能扩展。系统结构如下图2 2 所示： 1 教员台控制子系统 方便训练者以有效方法接受培训，是一种设定仿真训练器各种状态( 如：风速、 风向、故障设置等) 并进行监督的管制子系统。 2 评分子系统 进行客观的操作评估的予系统。 3 仿真子系统 包括环境仿真( 包括驾驶室系统、视景系统、音晌系统) 来模拟集装箱起重机操 作的具体环境；座椅振动系统来模拟驾驶室的空间振荡；桥吊仿真模型( 应用面向对 象建模) 。 图2 2 集装箱起重杌仿真训练器系统结构图 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 第三章基于以太网和c p l d 的智能接口系统 3 1 以太网的简介 3 1 1 以太网采用的技术 以太网采用载波侦听、多路访问冲突检测( c s m a c d c a r t i e rs e n s e m u l t i l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 机制。图3 1 简要地显示了采用c s m a c d 机制在 网络上发送一个数据帧的完整过程。c s m a c d 技术的主要特点如下： 1 原理比较简单，技术上较易实现。 2 网络维护方便，增加或者删除节点容易。 3 网络中各节点处于同等地位，不采用集中控制方法，不提供优先级控制，各 节点采用竞争的方法取得对共享媒体的访问权利，但这种方式不能满足远程 控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求 4 当负载较轻( 节点少，或者信息发送不频繁) 时，此种方式效率高，但当负载增 大时，发生冲突的概率增大，发送信息的等待时间较长，从而导致了以太网 的不确定性。 是 图3 1 采用c s m a i c d 机制发送数据帧的过程 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 3 1 2 以太网数据帧格式 以太网传输的信号是以帧( f r a m e ) 的形式存在的，它是以太网中传输信息的基本形 式。以太网数据帧的格式如图3 2 所示，其中帧头的总长度是2 2 个字节，包括帧前 序、起始位、目的地址、源地址、数据长度类型等标志段。 7l 66 20 , - 1 5 0 00 4 64 帧 前导符 开目标地址源地址 长度腆型 数据 填充校验和 始 帧头 盏据 图3 2 以太网帧格式 其中数据长度类型标志段为两个字节，用于表示数据帧内不包括任何填充数据段 的长度或协议类型。如果这个标志段的取值小于或等于1 5 0 0 ，则表示数据帧内数据 字段的长度；如果取值大于1 5 0 0 ，则表示此数据帧要至达的协议层类型。紧接着数 据帧头的是数据段，数据段的大小在4 6 1 5 0 0 字节之间，如果需要发送的数据长度不 足4 6 个字节，将会在填充字段填充数据使数据段补足4 6 个字节。因此，从目标地址 到校验位的有效帧长度最少为6 4 个字节。 3 1 3 设计用到的协议 1 u d p 协议 u d p 协议是英文u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 的缩写，即用户数据报协议，主要用来 支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。u d p 协议直接位于i p ( 网际协议) 协议的顶层。u d p 协议使用端口号为不同的应用保留其各自的数据传输通道。数据 发送一方( 可以是客户端或服务器端) 将u d p 数据报通过源端口发送出去，而数据 接收一方则通过目标端口接收数据。因为u d p 报头使用两个字节存放端口号，所以 端口号的有效范围是从0 到6 5 5 3 5 。 u d p 协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据报的形式。一个典型的数据 报就是一个二进制数据的传输单位。每一个数据报的前8 个字节用来包含报头信息， 剩余字节则用来包含具体的传输数据。 u d p 报头由4 个域组成，其中每个域各占用2 个字节，具体如下： 源端口号 目标端口号 上海海事大学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 数据报长度 校验值 用户数据报协议是定义用来在互连网络环境中提供包交换的计算机通信的协议。 此协议默认认为网路协议( 口) 是其下层协议。协议提供了向另一用户程序发送信息 的最简便的协议机制。协议是面向操作的，未提供提交和复制保护。 包头从概念上说是在u d p 头信息之前的，它包括有源地址，目的地址，所使用 的协议和u d p 长度。这些信息使信息不能被错误地接收，数据报格式如下图3 3 所 示。 源地址 目的地址 协议u d p 长度 图3 3 用户数据报头格式 2 a r p 协议 a r p 协议是地址解析协议，用于逻辑地址到物理地址的转换，a r p 为m 地址至对 应的硬件地址之间提供动态映射。它的管辖范围是本地网络，在本地网络范围内必须 唯一。当主机有数据包要发送给另一个主机时如果只知道对方的逻辑地址( 口地址1 而 不清楚对方的物理地址( m a c ) ，则无法将数据完整封装成以太网帧格式的数据包。 a r p 的作用就是将上层的m 地址与底层的物理地址进行绑定。数据报要发给另一主机 或网络时，都会给出接收站的口地址。当要找出目的主机或路由器在此网络上的物理 地址时，它发送一个a r p 查询分组广播，只有意图中的接收者才识别其口地址，发回 a r p 响应分组。a r p 使用单播和广播地址。a r p 协议的帧格式如表3 1 。 硬件类型( 2 字节)协议类型( 2 字节) 硬件地址长度协议地址长度操作类型 ( 1 字节)( 1 字节)( 2 字节) 发送端硬件地址( 6 字节) 发送端协议地址( 4 字节) 发送端硬件地址( 6 字节) 发送端协议地址( 4 字节) 表3 1a r p 协议的数据报格式 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 a r p 处理过程： ( 1 ) 根据目标口地址产生一个请求a r p 报文，填入发送站的物理地址，发送站的口 地址及目标口地址。目标物理地址为全0 。 ( 2 ) 将报文传给数据链路层。在此层它被封装成帧，使用发送站的物理地址作源地 址，使用物理广播地址为目的地址。 ( 3 ) 侮一个主机或路由器都收到这个帧。所有站都将此报文送交给自己的a r p 处理 程序，除目标机器外，所有机器都丢弃这个分组，目标机器识别这个口。 ( 4 ) 目标机器用a r p 报文进行回答。此报文包含它的物理地址，报文用单播。 ( 5 ) 发送站收到回答报文，得到目标物理地址。 ( 6 ) 发送站用单播将口数据报发给目的站。 3 i c m p 协议 i c m p 是“i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ”( i n t e m e t 控制消息协议) 的缩写。它 是t c p i p 协议族的一个子协议，用于在口主机、路由器之间传递控制消息。控制消 息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息 虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。 i c m p 经常被认为是口层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的 信息。i c m p 报文通常被口层或更高层协议( t c p 或u d p ) 使用。一些i c m p 报文 把差错报文返回给用户进程。 i c m p 报文是在m 数据报内部被传输的，如图3 4 所示 卜一坤数据报一 ji p 首部ii c m p 报文 2 0 个字节 图3 4 i c m p 封装在i p 包 3 2a r m 芯片选型及介绍 c i r r u sl o g i c 是消费娱乐电子、车载娱乐系统和工业产品应用高性能模拟、混合信 号和数字处理解决方案的主要供应商。基于其在全球音频集成电路市场的领先地位和 丰富的混合信号专利技术，c i r r u sl o g i c 以不断增长的音频、视频和精密混合信号应 用为目标市场。公司的产品包括适用于消费、专业和车载娱乐市场的模拟和混合信号 音频i c ，以及适用于工业应用如工业测量、分析仪器、民用设施、数字电表，以及 地震测量系统的高精度模拟和混合信号集成电路。c i r r u sl o g i c 公司同时为消费和工 业市场提供各种嵌入式处理器i c ，例如适用于消费和专业用音频设备的音频最佳化 数字信号处理器和基于a r m 的嵌入式处理器。 上海海事大学硕士学位论文 集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 c i r r u s l o g i c 公司2 0 0 4 年推出的9 系列( n i n es e r i e s ) 嵌入式处理器基于a r m 9 内核，正被越来越多的原设备制造商选用。这是因为原设备制造商注意到9 系列嵌入 式处理器拥有一系列最优化的集成片上系统( s o c ) 产品，从物美价廉的e p 9 3 0 1 处 理器到e p 9 3 1 5 旗舰处理器，以及基于a r m 7 内核的7 系列( s e v e ns e r i e s ) 嵌入式 处理器。9 系列嵌入式处理器系列能够把功能强劲的a r m 9 微处理器与包括i d e 、 2 d 加速图像和网络在内的大量外设连接到一起，能够满足用户的各种功能的需求， 具有很高的性能价格比。 其中a r m 9 系列的e p 9 3 0 1 e p 9 3 1 5 的主要区别下图3 5 ： f k 日o _ 睛嘲 销爨嘲l 灞麟驾 鞠i 鳓馘鬻 蔫鞲曩 蝴麟鼙懿秘h 糨 蓐翻8 自囔尊均i _ l 鼻i | e p 9 3 0 11 s 嗣州z 一 2 2 e p 9 3 0 22 0 0 m h z 一 22 e p 9 3 0 72 0 0 m i i z一 3 一y 3 e p 9 3 1 22 0 0 嘣z 一 2 c h 3 一一 v 3 毫p 9 3 1 52 0 0 ，阱1 z矿 一一 2 c h 3 v v 一 3 图3 5e p 9 3 x x 系列功能表 根据智能接口系统的功能要求以及未来的功能扩展要求，我们选择了e p 9 3 1 2 作 为微控制器，e p 9 3 1 2 是一种基于a r m 9 2 0 t 的片上系统，基于a r m 9 2 0 t 内核。 a r m 9 2 0 t 内核原理图如图3 6 所示。 a r m 9 2 0 t 微处理器以单独的1 6 k 字节、6 4 路结合组( s e t a s s o c i a t i v e ) 指令以及数 据高速缓存为核心。a r m 9 2 0 t 的3 2 位微控制器结构带有一个5 阶管线，可以极低 的功耗提供优异的性能。a r m 内核工作电压为1 8 v ，输入输出为3 3 v 。依据不同 的速度和工作模式，功耗从4 5m w 到7 5 0 m w 不等。 图3 6a r m 9 2 0 t 内核原理图 上海海事太学硕士学位论文集装箱起重机仿真训练器中基于a r m 的智能接口系统 e p 9 3 1 2 内带的m m u 、1 6 1 0 3 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 和m a v e r i c k c r u n c h 数学协处理器；主频2 0 0 m h z ，系统总线1 0 0 m h z ，可提供工业级应用：为下 一代消费和工业电子产品的开发开辟了新的道路。它的高速性能以及广泛的外围接口 使得e p 9 3 1 x 成为各种大批量生产型产品的理想选择。 e p 9 3 1 2 内置的m a v e d c k c r u n c h 协处理器更进一步增强了其性能。m a v e d c k c n m c h 引擎是一种先进的混合模式数学协处理器，可大大提高a r m 内核的单双精度整数 及浮点处理能力。当对数字音频和视频格式进行编码、通过以太网处理数据、或执行 其它运算密集型计算和数据处理功能对，该引擎可为e p 9 3 1 2 提供必需的速度和性 能。 e p 9 3 1 2 内置一个高性能1 1 0 1 0 0 m b p s 以太网媒体存取控制器，以及外部接口， 可连接各种外设，包括s p i 和a c 9 7 音频、r a s t e r l c d 、i d e 存储外设、小键盘和 触摸屏等。该器件还集成有三个u s b2 0 全速主端口和三个u a r t 。 e p 9 3 1 2 包含一个主频为2 0 0m h z 的a r m 9 2 0 t 处理器内核之外，比较重要的片 内外围功能模块有： 1 6 k b 数据高速缓存和1 6k b 指令数据高速缓存 m m u 可支持l i n u x 和m i c r o s o f t w i n d o w s c e 1 0 0 m i k 系统总线 m a v e f i c k c r