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一個大型的船舶輪機模擬器蘊含著30多個全物理過程的數學模型，涉及千余個實時參變量，通常采用功能分散的DCS網絡來實現。即便如此，個別仿真工作站由于模型復雜、任務繁重，難以滿足實時仿真的要求。例如，動力推進系統的仿真是一個半實物在環的仿真系統，其中既有虛擬的動力裝置即仿真計算機上運行的數學模型，又有真實的控制盤臺、物理顯示設備，是一種集實時控制和高速運算功能于一體的典型系統。 早期開發成功的SMSC2000型輪機模擬器采用工控機作為仿真計算機，所有數據的處理和輸入輸出的控制都經過它的數據采集卡來完成。推進系統仿真的精確度與實時性無法兩全。近期航運仿真中心在開展多模式機艙仿真實驗的同時，針對I/O點最多(200多個)、半實物環境最復雜的船舶推進系統進行了剖析，研制了嵌入式微機的新穎仿真平臺。 船舶推進系統仿真平臺的選取 船舶推進系統仿真平臺需要有很強的控制接口(輸入輸出)能力和高速的數字運算處理能力。TI公司的DSPC2000系列率先為電機的實時控制開拓了應用領域，但并不適合于具有眾多I/O的復雜機電模型的仿真。由于市場上無現成的仿真裝置可購，只能針對機艙模擬器的對象自行探索。實際上，當代嵌入式芯片既提供了高速的數字信號處理器(DSP)，也提供了有強大控制功能的微控制器(MCU)。采用MCU+DSP架構，就可兼備兩者的長處。 基于ARM核的32位RISC微控制器在監視控制、人機接口方面的功能非常完善，數字信號處理器(DSP)對各種數字信號或數據處理的能力十分強大。因此，許多嵌入式實時應用系統采用ARM+DSP的結構組合來充分發揮兩種處理器的優勢，從每個處理器中獲得最大益處，以獲得更高性能。其中，ARM作為主處理器，負責任務管理、輸入輸出接口、對外部設備的控制，甚至運行嵌入式操作系統;而DSP作為從處理器，僅僅負責快速的數據運算處理。兩個處理器核之間通過共用一部分存儲器等方式進行通信。 以ARM+DSP為核心的嵌入式系統具有很強的控制接口能力和高速數字處理能力，用來代替以工控機為核心的仿真系統，可以達到實時運行精確的船舶推進系統的數學模型、實時控制外圍物理設備的目的，從而實現精確實時的半物理實物在環的船舶推進仿真系統。 ARM+DSP嵌入式船舶推進系統仿真平臺的硬件結構 ARM+DSP嵌入式仿真平臺主要由以ARM，C5000DSP，C2000DSP3個處理器為中心的功能部分構成。其中ARM部分的ARM核微控制器是主處理器，是整個系統的控制中心。ARM部分帶有自己的FLASH，RAM，A/D，D/A轉換器等外圍設備，主要負責上電后完成整個系統的自舉加載和系統的任務分配、從物理設備輸入和向物理設備輸出信號、通過CAN總線與上位計算機通信等。C5000DSP部分主要運行船舶推進系統的數學模型，并將仿真所得的轉速和轉矩的數據傳遞給C2000DSP部分的電機控制單元，以在電動機上表達出推進系統的實時狀態，即用電動機來模擬推進主機。 C2000DSP部分的功能是接收C5000DSP部分數學模型的運算結果，按照該結果控制電動機達到仿真的轉速和轉矩，最終實現用電動機來模擬推進主機。這3個部分按一定的方式組合在一起，構成一個整體，共同完成推進系統仿真的任務。其基本組織結構如圖1所示。 圖1 ARM+DSP嵌入式微機系統的基本組成 [next]實際上，從可靠性角度考慮，對于ARM部分和C5000DSP部分，采用一塊ARM7+C54x的雙核芯片(TI的TMS320VC5470)把兩部分的核心集成到一起。這兩部分的主要外圍設備有ARM側的FLASH，SRAM，SDRAM，鍵盤，LCD，CAN總線接口，A/D，D/A轉換器(用于模擬量的輸入輸出)，光耦電路(用于數字量或開關量的輸入輸出)，用于編程調試用的JTAG接口及DSP側的程序空間外擴SRAM，數據空間外擴SRAM，及I/O空間的FIFO(用于向C2000DSP部分傳遞數據)。這兩部分的硬件組織結構如圖2所示。 圖2 ARM和C5000DSP的硬件結構 C2000DSP部分為任選部分。若省略這部分，則仿真結果僅顯示在LCD，LED狀態指示燈上。加上這部分后，仿真推進系統的各種動靜態轉速及轉矩特性可在C2000DSP部分控制的仿真電機上反映出來，達到用電機模擬推進系統主機的目的。圖3所示的C2000DSP子系統實際上是一個電機的閉環控制系統，由DSP控制器、功率驅動放大電路、電機和轉速檢測環節(光電編碼盤)4個子部分構成。可見，ARM+DSP嵌入式船舶推進系統仿真平臺的硬件資源豐富，且有很大的可擴展空間。該系統平臺在硬件方面有以下一些特點。 (1)從處理器的速度上看，ARM最大為47.5MHz，C5000DSP最大為100MHz，C2000DSP最大為40MHz，屬于較高速處理器。 圖3 C2000DSP部分的硬件結構 [next](2)FLASH的容量很大。在ARM和C5000DSP(即TMS320VC5470)部分有8MB的外部FLASH；在C2000DSP(TMS320LF2407)部分有32KW的在片FLASH，而且還可以進行外擴。這樣，該系統就可以固化大量的程序代碼，適合開發大型的程序。 (3)SRAM的容量也很大。在ARM部分有16KB的在片高速SRAM和2MB的外部SRAM；在C5000DSP部分有72KW高速在片SRAM和64KW外擴程序SRAM和64KW外擴數據SRAM；在C2000DSP(TMS320LF2407)部分有2.5KW的在片SRAM，而且還有64KW外擴程序SRAM和64KW外擴數據SRAM。這樣，大量的SRAM可以保證處理器在SRAM中讀取程序，以保證程序快速運行。 (4)系統的I/O端口資源豐富。既有數字量的輸入輸出，也有模擬量的輸入輸出；既提供了串行方式，也提供了并行方式。為數據采集、控制指令輸出、與上位機通信等奠定了硬件基礎。 (5)C2000DSP的處理器TMS320LF2407是專用來進行電機控制的芯片，用來產生PWM信號和捕獲轉速反饋信號很容易，而且運算速度快，可以實現對電機的各種高效復雜的控制。 (6)各部分間需要實時交換數據，其硬件上都采用了共享存儲器的方式(ARM與C5000DSP之間的ARMPortInterface，簡稱API，C5000DSP與C2000DSP之間的FIFO)。這樣，通信速度很快，從硬件上滿足了實時要求。 (7)因為器件數量較多且速度相對較高，有些芯片采用的是先進的BGA(BallGridArray)封裝技術，所以在設計印刷電路板時，采用了6層板，布線充分考慮了器件的高速性和封裝技術。 (8)該系統平臺提供了很多可擴展的接口，用戶可針對具體對象擴充硬件、添加新的功能。對于構成SMSC2000輪機模擬器的其他工作站，無須擴展任何I/O接口，可見該系統具有通用性。 ARM+DSP嵌入式仿真平臺的軟件結構 ARM部分中的軟件 ARM部分是整個系統的控制中心，其運行的主要是系統軟件，包括自舉加載程序、指令響應程序、鍵盤掃描程序、LCD顯示驅動程序、A/D與D/A轉換控制程序、直接數字量/開關量輸入輸出程序、CAN總線通信控制程序及與C5000DSP部分進行內部實時數據交換的控制程序。 自舉加載程序是上電或復位后首要實現的任務。它先對ARM的一些關鍵寄存器(如時鐘、中斷等)進行初始化(即部分初始化);之后將ARM部分中要運行的主程序和各個子程序(如指令響應程序、鍵盤掃描、LCD顯示驅動等)從片外的非易失性存儲器FLASH中加載到片內或片外的SRAM中，以增加程序的運行速度;接著，開始負責對C5000DSP部分進行復位初始化，再把數學模型程序通過API控制加載到C5000DSP中。這樣，自舉加載程序就完成了兩個部分的自舉加載工作。 自舉加載完成后，ARM部分開始執行系統的全部初始化，然后便進入系統的主程序(該主程序是一個無限循環等待程序)，在主程序中再以中斷方式反復運行鍵盤掃描、LCD顯示驅動、指令解釋響應、A/D與D/A轉換控制、數字量/開關量的輸入輸出及與C5000DSP部分通訊的程序。其中，指令解釋的響應程序是一個核心程序，類似于操作系統的內核程序，接受來自輸入處理子程序(鍵盤掃描、數字量/開關量的輸入等)的接口數據，并根據它們的值啟動相應的任務，如果需要將任務執行的結果作為接口數據(指令)輸出給顯示或控制處理子程序，則經由各輸出子程序再進行處理。該部分的軟件組織結構如圖4所示。[next] 圖4 ARM部分的軟件組織結構 C5000DSP部分的軟件 C5000DSP部分主要用來運行推進系統的數學模型，該推進系統可以是傳統的柴油主機推動系統，也可以是新型的電力推動系統，關鍵在于不同的推動類型對應不同的數學模型。 C5000DSP程序實質上是以實時循環迭代求解微分方程組為主的程序，該微分方程組即推進系統的數學模型，并且每循環求解一次，要確定有沒有從ARM部分傳遞來的指令及參數更改的信息。如果有，就改變相應狀態及參數再求解微分方程組;如果沒有，則仍按上一次的狀態和參數求解。在每個循環中，方程組完整求解一次，從而得到推動系統在該時刻的仿真數據。在每個循環的最后，把仿真數據結果傳送給ARM部分及C2000DSP部分(通過FIFO)，用于顯示和控制。這部分的軟件程序結構如圖5所示。 圖5 C5000DSP部分的軟件組織結構 [next]C2000DSP部分的軟件結構 C2000DSP部分的主要任務就是讀取FIFO接收來自C5000DSP部分的仿真結果中的轉速和轉矩信號，并將之表達為電動機的相應轉速和轉矩。該部分實際上是獨立構成的一個專門控制交流電機的子系統。 其中，C2000DSP處理器TMS320LF2407為該控制子系統的核心。它首先采用查詢的工作方式，檢測主控指令位是否指示打開該進程，檢查系統與主電路是否正常。如果主控指令位指示“關閉”，則切斷主電路，封鎖輸入輸出，再關閉系統;如果不正常，則切斷主電路，封鎖輸入輸出，再關閉系統，并發出警報；如果一切正常且主控指令位指示“打開”，則讀取此子系統的給定信號(由通信中斷服務程序從FIFO中讀出并存入相應地址的存儲器中)，即轉速和轉矩仿真結果數據的接收，再調用捕獲子程序從相應接口輸入實際轉速和轉矩的反饋值。給定值和反饋值準備完畢，系統才開始使用某種控制算法對給定數據和反饋數據進行處理。 完成了一個電機閉環恒轉速控制算法后，產生相應的PWM信號輸出給電機功率驅動電路，再由驅動電路控制電機跟隨仿真給定轉速和轉矩信號，完成對推動系統轉速和轉矩的物理模擬。這里使用的控制算法可以是交流電機控制的各種算法，有要求較低的恒壓頻比、恒電動勢頻比算法，也有要求高的矢量控制算法和直接轉矩控制算法。完成此步控制算法輸出PWM信號后，再返回到開頭處。如此循環，直到出現不正常或ARM主控程序結束該任務進程。該部分程序的主要結構如圖6所示。 圖6 C2000DSP部分的軟件組織結構 芯片間的通信控制 該系統由3大部分構成，各部分之間的通信關系如圖1所示。ARM與C5000DSP之間相互通信，C5000DSP與C2000DSP之間相互通信，ARM與C2000DSP之間也相互通信。其中，前兩者是通過中斷方式來完成的，而后者是通過直接傳送的方式完成的。 ARM與C5000DSP之間通過ARM向C5000發出中斷信號，告知C5000要準備接收數據。然后ARM將數據放到兩方共享的API中。DSP接收到中斷信號后，開始中斷服務程序，從API的相應位置取出數據，之后向ARM發出回復信號，以表示數據被取走，而后繼續準備開始接收新的數據。ARM接收到來自C5000的回復信號，開始發送新的數據。如此反復，直到傳遞完所有數據。反過來，由C5000DSP向ARM發送數據，其過程與上面相同，只是收發方互換位置。[next] C5000DSP與C2000DSP之間的通信是單向的，即C5000只進行發送而C2000只進行接收。它們之間是通過FIFO進行緩沖的。C5000首先將仿真運算的轉速和轉矩數據通過總線放入接在其IO空間的FIFO中，再向C2000發送中斷請求。C2000收到后，響應中斷，進行中斷服務，從FIFO的相應位置取出數據并存入特定地址的存儲器中，再回復C5000告知數據已經被取出。如此周而復始，不斷進行數據的收發。 ARM與C2000DSP之間的通信主要是ARM主控打開或關閉C2000系統，采用單向直接傳送方式。它們之間通過各自的一個GPIO(通用IO口)相連，ARM發送，C2000接收。ARM要打開C2000系統時，只需向其對應的GPIO寫1，而ARM要關閉C2000系統時，只需向其對應的GPIO寫0。在C2000部分，在主體循環程序中每次查詢C2000的對應GPIO口，讀為1則表示繼續其進程，而讀為0則表示關斷其進程。 ARM+DSP嵌入式仿真平臺與以工控機為核心的仿真平臺的比較 以ARM+DSP為核心的嵌入式仿真平臺系統與以工控機為核心的仿真平臺系統相比在仿真的實時性和精確度方面具有很多優勢。 (1)使用專用的DSP完成運算，相比通用PC處理器8086的精確度更高。 (2)ARM和DSP分工明確，各司其職，比單一的PC處理器完成仿真任務要快很多。SMSC2000在進行主機仿真時，由于處理器、操作系統和VB開發工具的限制，每求解一次數學模型需要的時間在ms級，其采樣周期也在ms級以上;而以ARM+DSP為核心的嵌入式仿真平臺系統，由于采用功能強大的雙核構架，每求解一次數學模型需要的時間在μs級，采樣周期也相應減小很多，即仿真的步長更小，大幅度提高了仿真的精確度。 (3)軟件系統是在裸機的基礎上建立的，實時性完全由開發人員決定，不受非實時操作系統限制。 結束語 針對船舶推進系統研制的新穎ARM+DSP嵌入式仿真平臺揚長了ARM與DSP兩種嵌入式處理器的特點，集豐富的控制接口和高速運算處理能力于一體。該仿真平臺系統結構清晰，各部分專用功能強大，任務分配明確，相互之間都有通信交互。該系統存儲器容量大，各器件速度快，集成度高。軟件編程從系統和應用的角度出發，密切結合實際情況，軟件結構適合嵌入式系統運行。系統的軟硬件都有較大擴展空間。用該仿真平臺代替傳統的基于工控計算機的仿真模式真正達到了實時要求，其運行的數學模型更精確，控制物理設備的能力更強。 該仿真平臺同樣可用于船舶電站、船舶輔機、機艙報警等系統的仿真，并通過CAN總線與主控站聯絡。它不光強化了單一工作站的功能，而且使整個DCS網絡演化為FCS網絡，大大提高了系統的實時性。 |
