以ARM和DSP嵌入式系统为核心的实时仿真平台的开发

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

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

C2000DSP部分为任选部分。若省略这部分，则仿真结果仅显示在LCD，LED状态指示灯上。加上这部分后，仿真推进系统的各种动静态转速及转矩特性可在C2000DSP部分控制的仿真电机上反映出来，达到用电机模拟推进系统主机的目的。图3所示的C2000DSP子系统实际上是一个电机的闭环控制系统，由DSP控制器、功率驱动放大电路、电机和转速检测环节(光电编码盘)4个子部分构成。可见，ARM+DSP嵌入式船舶推进系统仿真平台的硬件资源丰富，且有很大的可扩展空间。该系统平台在硬件方面有以下一些特点。

(1)从处理器的速度上看，ARM最大为47.5MHz，C5000DSP最大为100MHz，C2000DSP最大为40MHz，属于较高速处理器。

图3　C2000DSP部分的硬件结构

(2)FLASH的容量很