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- 1029342
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- 男
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摘 要：针对复杂的船舶推进系统仿真实时性的提高和精确度的需要，设计了以ARM+DSP嵌入式系统为核心的实时仿真平台，并分别详细论述了嵌入式仿真平台的硬件结构和技术特点，介绍了ARM，C5000和C2000核心软件结构以及芯片之间的内部通信，提供了具体实现高速运算和实时精确控制的新颖技术方案以及通用的仿真平台。 关键词：仿真；ARM+DSP；核心软件；内部通信
引 言
一个大型的船舶轮机模拟器蕴含着30多个全物理过程的数学模型，涉及千余个实时参变量，通常采用功能分散的DCS网络来实现。即便如此，个别仿真工作站由于模型复杂、任务繁重，难以满足实时仿真的要求。例如，动力推进系统的仿真是一个半实物在环的仿真系统，其中既有虚拟的动力装置即仿真计算机上运行的数学模型，又有真实的控制盘台、物理显示设备，是一种集实时控制和高速运算功能于一体的典型系统。
早期开发成功的SMSC2000型轮机模拟器采用工控机作为仿真计算机，所有数据的处理和输入输出的控制都经过它的数据采集卡来完成。推进系统仿真的精确度与实时性无法两全。近期航运仿真中心在开展多模式机舱仿真实验的同时，针对I/O点最多(200多个)、半实物环境最复杂的船舶推进系统进行了剖析，研制了嵌入式微机的新颖仿真平台。
船舶推进系统仿真平台的选取
船舶推进系统仿真平台需要有很强的控制接口(输入输出)能力和高速的数字运算处理能力。TI公司的DSPC2000系列率先为电机的实时控制开拓了应用领域，但并不适合于具有众多I/O的复杂机电模型的仿真。由于市场上无现成的仿真装置可购，只能针对机舱模拟器的对象自行探索。实际上，当代嵌入式芯片既提供了高速的数字信号处理器(DSP)，也提供了有强大控制功能的微控制器(MCU)。采用MCU+DSP架构，就可兼备两者的长处。
基于ARM核的32位RISC微控制器在监视控制、人机接口方面的功能非常完善，数字信号处理器(DSP)对各种数字信号或数据处理的能力十分强大。因此，许多嵌入式实时应用系统采用ARM+DSP的结构组合来充分发挥两种处理器的优势，从每个处理器中获得最大益处，以获得更高性能。其中，ARM作为主处理器，负责任务管理、输入输出接口、对外部设备的控制，甚至运行嵌入式操作系统;而DSP作为从处理器，仅仅负责快速的数据运算处理。两个处理器核之间通过共用一部分存储器等方式进行通信。
以ARM+DSP为核心的嵌入式系统具有很强的控制接口能力和高速数字处理能力，用来代替以工控机为核心的仿真系统，可以达到实时运行精确的船舶推进系统的数学模型、实时控制外围物理设备的目的，从而实现精确实时的半物理实物在环的船舶推进仿真系统。
ARM+DSP嵌入式船舶推进系统仿真平台的硬件结构
ARM+DSP嵌入式仿真平台主要由以ARM，C5000DSP，C2000DSP3个处理器为中心的功能部分构成。其中ARM部分的ARM核微控制器是主处理器，是整个系统的控制中心。ARM部分带有自己的FLASH，RAM，A/D，D/A转换器等外围设备，主要负责上电后完成整个系统的自举加载和系统的任务分配、从物理设备输入和向物理设备输出信号、通过CAN总线与上位计算机通信等。C5000DSP部分主要运行船舶推进系统的数学模型，并将仿真所得的转速和转矩的数据传递给C2000DSP部分的电机控制单元，以在电动机上表达出推进系统的实时状态，即用电动机来模拟推进主机。
C2000DSP部分的功能是接收C5000DSP部分数学模型的运算结果，按照该结果控制电动机达到仿真的转速和转矩，最终实现用电动机来模拟推进主机。这3个部分按一定的方式组合在一起，构成一个整体，共同完成推进系统仿真的任务。其基本组织结构如图1所示。
图1 ARM+DSP嵌入式微机系统的基本组成 [page]实际上，从可靠性角度考虑，对于ARM部分和C5000DSP部分，采用一块ARM7+C54x的双核芯片(TI的TMS320VC5470)把两部分的核心集成到一起。这两部分的主要外围设备有ARM侧的FLASH，SRAM，SDRAM，键盘，LCD，CAN总线接口，A/D，D/A转换器(用于模拟量的输入输出)，光耦电路(用于数字量或开关量的输入输出)，用于编程调试用的JTAG接口及DSP侧的程序空间外扩SRAM，数据空间外扩SRAM，及I/O空间的FIFO(用于向C2000DSP部分传递数据)。这两部分的硬件组织结构如图2所示。
图2 ARM和C5000DSP的硬件结构 |
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