摘 要：本文分析了測(cè)井機(jī)器人作業(yè)仿真模擬的具體要求，設(shè)計(jì)采用虛擬井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)和測(cè)井信號(hào)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)井環(huán)境的虛擬仿真。選擇了以深度信號(hào)作為仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以嵌入式處理器系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了虛擬仿真的工作流程。在此基礎(chǔ)上，提出了虛擬仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)敘述了關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)仿真 機(jī)器人 ARM9 FPGA Abstract: This paper has analyzed the requirements of the oil well robot simulation and combined the suppositional well database with the oil well logging signal in design to achieve the simulation of the oil well enviornment. The depth signal has been chosen to take as the simulation system drive signal. Through analyzing the simulation system of signal transmission mechanism, the ensemble architecture of the simulation system has been constructed, whose coin is the embedded processor. And the work process of the simulation system has been designed. Based on this, the realization scheme has been proposed about the virtual reality simulation system. The system hardware has also been provided in the paper. Keyword: Virtual real-time simulation , robot, ARM9 , FPGA 1 前言 　　測(cè)井作業(yè)是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)性非常強(qiáng)的野外作業(yè)，對(duì)設(shè)備的操作工程師有非常高的要求，必須進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)，執(zhí)證上崗。而傳統(tǒng)的操作員培訓(xùn)只能采取理論學(xué)習(xí)和跟井作業(yè)見(jiàn)習(xí)的方法，培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，效果差。因而開(kāi)發(fā)測(cè)井機(jī)器人的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)對(duì)地面系統(tǒng)整機(jī)進(jìn)行功能與性能分析，并解決操作工程師的培訓(xùn)問(wèn)題，使地面系統(tǒng)調(diào)試和操作人員能在實(shí)驗(yàn)室有身臨其境的效果，對(duì)測(cè)井機(jī)器人的推廣應(yīng)用具有十分重要的意義，并具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 2 仿真系統(tǒng)工作過(guò)程簡(jiǎn)介 　　一個(gè)測(cè)井機(jī)器人系統(tǒng)是由地面系統(tǒng)、電纜遙傳系統(tǒng)、深度測(cè)量系統(tǒng)和下井儀器組成的。地面系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制核心。在操作工程師的操作控制下，地面系統(tǒng)接收由電纜遙傳系統(tǒng)送來(lái)的下井儀器測(cè)量數(shù)據(jù)和深度系統(tǒng)傳來(lái)的深度信號(hào)，對(duì)這些信息進(jìn)行處理，并顯示記錄測(cè)井的資料和結(jié)果。同時(shí)操作員的操作指令和系統(tǒng)指令經(jīng)遙傳系統(tǒng)發(fā)送到井下儀器，對(duì)其進(jìn)行控制。每項(xiàng)仿真研究都應(yīng)從所研究系統(tǒng)的說(shuō)明開(kāi)始，只有對(duì)該系統(tǒng)具有深入的了解，明確需要解決的問(wèn)題和應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)，并且在這些問(wèn)題上與決策者取得一致意見(jiàn)，才能為仿真建模與仿真運(yùn)行提供可靠的基礎(chǔ)。實(shí)際測(cè)井過(guò)程中，操作人員控制地面系統(tǒng)，首先配置與所選下井儀器一致的服務(wù)表，配置服務(wù)表使下井儀器完成初始化，并開(kāi)始等時(shí)測(cè)井過(guò)程。此時(shí)電纜遙傳系統(tǒng)與下井儀器均下入油井，在井筒中快速下行。此時(shí)每隔一定時(shí)間間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動(dòng)向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時(shí)間自動(dòng)向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲(chǔ)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測(cè)井系統(tǒng)。地面系統(tǒng)利用此測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)判斷下井儀器下放是否受阻。當(dāng)下井儀器下入井底，操作人員控制地面絞車(chē)緩慢上提電纜，并操作地面系統(tǒng)開(kāi)始等深測(cè)井過(guò)程。在等深測(cè)井過(guò)程中，每隔一定深度間隔，地面系統(tǒng)的DSP采集模塊自動(dòng)向下井儀器發(fā)送采集命令，下井儀器采集一組測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)，DSP采集模塊經(jīng)一段短暫的固定時(shí)間自動(dòng)向下井儀器發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，下井儀器與遙傳系統(tǒng)把存儲(chǔ)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)回傳到地面測(cè)井系統(tǒng)。在等深測(cè)井過(guò)程中，反映地層巖石物性的大量測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)被地面系統(tǒng)采集處理，得到相應(yīng)測(cè)井結(jié)果。 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 　　測(cè)井作業(yè)都與實(shí)際測(cè)井時(shí)下井儀器所處的深度有關(guān)，所有的測(cè)井信號(hào)都是該深度的測(cè)井信息，因此整個(gè)仿真系統(tǒng)都應(yīng)在深度信號(hào)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行同步。在測(cè)井系統(tǒng)中，深度信號(hào)由稱(chēng)為“馬丁代克”的深度測(cè)量裝置產(chǎn)生，其原理就是通過(guò)測(cè)量輪帶動(dòng)光電碼盤(pán)，光電碼盤(pán)產(chǎn)生1280/米個(gè)脈沖。對(duì)此脈沖進(jìn)行計(jì)量，就可得出儀器所處的深度和儀器運(yùn)動(dòng)的速度。為此必需設(shè)計(jì)一個(gè)與此深度信號(hào)相仿的深度信號(hào)產(chǎn)生電路，該電路輸出的1280/米深度信號(hào)驅(qū)動(dòng)地面系統(tǒng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)仿真系統(tǒng)輸出虛擬井相應(yīng)深度的測(cè)井信號(hào)。地面系統(tǒng)接收的測(cè)井信號(hào)是由電纜遙傳系統(tǒng)經(jīng)電纜傳來(lái)的測(cè)井信號(hào)。各遙傳系統(tǒng)都有自己的編碼體制，本文所仿真的機(jī)器人系統(tǒng)采用的是LDT遙傳系統(tǒng)體制，其中包含WTS總線和3506、3508模式。根據(jù)以上分析，仿真系統(tǒng)必須具有深度系統(tǒng)和LDT體制的電纜遙傳系統(tǒng)接口、虛擬的井下資料數(shù)據(jù)庫(kù)，并由一個(gè)控制核心進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。由于測(cè)井時(shí)除上述測(cè)井信號(hào)外，還有一些輔助的信號(hào)，如電纜張力、磁記號(hào)等，故仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。 [align=center] 圖 一 ：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] 　　不同測(cè)井項(xiàng)目有不同的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和組織格式，開(kāi)始仿真時(shí)，地面系統(tǒng)配置服務(wù)表，仿真設(shè)備接收相應(yīng)命令，判斷為何種測(cè)井項(xiàng)目，若存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)有此種測(cè)井項(xiàng)目數(shù)據(jù)，則選擇此測(cè)井項(xiàng)目，發(fā)送深度信號(hào)，并馬上進(jìn)入等時(shí)測(cè)井工作狀態(tài)，若無(wú)此項(xiàng)目數(shù)據(jù)，應(yīng)輸出報(bào)告，通知操作工程師下載相應(yīng)數(shù)據(jù)。下載數(shù)據(jù)時(shí)，操作員需連接通信接口到上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)把所需數(shù)據(jù)下載入仿真設(shè)備的存儲(chǔ)系統(tǒng)。仿真設(shè)備判斷為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)則自動(dòng)接收，并保存為相應(yīng)文件。存儲(chǔ)設(shè)備支持?jǐn)嚯姳４婀δ?，可長(zhǎng)期保存測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。 　　仿真設(shè)備進(jìn)入等時(shí)測(cè)井工作狀態(tài)后，操作員即可仿真測(cè)井操作?？赏ㄟ^(guò)人機(jī)交互接口模擬纜車(chē)操作，選擇測(cè)井速度，仿真設(shè)備輸出相應(yīng)的深度脈沖信號(hào)。深度脈沖輸出到地面處理系統(tǒng)，地面系統(tǒng)依據(jù)此脈沖發(fā)送采集與上傳命令，仿真設(shè)備按命令發(fā)送等時(shí)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。到達(dá)相應(yīng)深度后，操作員控制仿真儀器緩慢上提電纜，操作SL-6000型地面處理設(shè)備開(kāi)始等深測(cè)井操作，仿真設(shè)備接收地面處理系統(tǒng)命令并實(shí)時(shí)響應(yīng)，輸出仿真測(cè)井信號(hào)。操作員可由人機(jī)交互接口隨時(shí)改變測(cè)井速度，直到地面處理設(shè)備停止測(cè)井作業(yè)。地面系統(tǒng)在仿真信號(hào)源的作用下，與實(shí)際測(cè)井一樣，可對(duì)數(shù)據(jù)記錄，顯示存儲(chǔ)，并輸出測(cè)井結(jié)果，其測(cè)井資料可與標(biāo)準(zhǔn)資料進(jìn)行對(duì)比，一方面可確定地面處理系統(tǒng)的性能，另一方面可對(duì)操作員的操作作出評(píng)價(jià)。 4 關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn) 　　4.1控制模塊的設(shè)計(jì) 　　測(cè)井機(jī)器人傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)率為230Kb/s，仿真設(shè)備不僅要提供如此的數(shù)據(jù)量，而且要考慮能同時(shí)支持人機(jī)交互設(shè)備（如顯示屏、觸摸屏、鍵盤(pán)等）并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這就要求所選控制器的速度、存儲(chǔ)器管理單元（MMU）、高速緩存（Cach）、流水線等方面的綜合性能達(dá)到任務(wù)要求。仿真系統(tǒng)的深度脈沖達(dá)到計(jì)數(shù)要求時(shí)，需及時(shí)產(chǎn)生所有相關(guān)的測(cè)井信號(hào)，如此才能保證測(cè)井信號(hào)與下井儀器的相應(yīng)深度協(xié)調(diào)一致，否則，仿真實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生誤差，誤差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)仿真過(guò)程的失敗，這就要求系統(tǒng)提供很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性保障，給控制模塊的選取提出了要求。 　　選用CPU芯片設(shè)計(jì)控制模塊，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加設(shè)計(jì)難度并延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。因此設(shè)計(jì)采用了已有的控制模塊ARM通用板卡。ARM通用板卡采用S3C2410X處理器，處理器內(nèi)部集成ARM920T內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了MMU、五級(jí)整數(shù)流水線、AMBA總線、Harvard Cach結(jié)構(gòu)，最高頻率203MHz，采用低功耗設(shè)計(jì)，與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)配合可有效保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。芯片內(nèi)部集成了SD卡接口、USB接口、觸摸屏接口和LCD控制器等通用外設(shè)，極大的減小了外圍元件的添加，減小了電路板的面積和設(shè)計(jì)工作量。另一方面，三星公司提供的資料比較齊全，提供最小系統(tǒng)與基本外設(shè)的原理圖，有多種外設(shè)的測(cè)試程序可供參考，給軟硬件開(kāi)發(fā)帶來(lái)方便。調(diào)試可使用基于JTAG 的調(diào)試系統(tǒng)，不需要在目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行相應(yīng)程序，就可訪問(wèn)系統(tǒng)狀態(tài)和內(nèi)核狀態(tài)，并可在RAM、ROM程序中設(shè)置斷點(diǎn)等，調(diào)試方便。ARM通用板卡只有普通名片大小，全部采用低功耗器件，大大降低了儀器的功耗、體積，同時(shí)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)便利。 　　4.2 通信模塊的實(shí)現(xiàn) 　　目前較有競(jìng)爭(zhēng)力的通信接口包括USB、以太網(wǎng)和1394接口。其中1394接口性能最好，硬件代價(jià)高，目前只在高端應(yīng)用。USB和以太網(wǎng)應(yīng)用非常普遍，成本低，性能可靠。在選用ARM通用板卡的基礎(chǔ)上，可選擇的通信方式包括UART（通用異步收發(fā)器）、Ethernet（以太網(wǎng)接口）、USB1.1（通用串行總線接口）。UART接口技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，性能可靠，但UART控制器性能差。以太網(wǎng)連接具有較高的可靠性，傳輸速度高達(dá)10M、100Mbps，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，并且通信距離遠(yuǎn)，普通雙絞線的組網(wǎng)方式可以達(dá)到150m的連接范圍，通過(guò)中繼則可連接到更遠(yuǎn)距離，已成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中底層鏈接不可缺少的部分。此外USB總線具有低成本、兼容性好、功能強(qiáng)大、易于使用、易于擴(kuò)展、支持即插即用等特點(diǎn)，已被廣泛采用，但通信距離不應(yīng)超過(guò)3m。 　　基于以上分析，仿真設(shè)備采用以太網(wǎng)和USB兩種通信方式。采用以太網(wǎng)接口便于仿真設(shè)備與地面處理系統(tǒng)通信。仿真機(jī)器人內(nèi)部使用10/100M自適應(yīng)交換機(jī)，與主機(jī)通信速率為100Mbps，故仿真設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口也選用了100M的網(wǎng)絡(luò)控制器DM9000，下載500MB的數(shù)據(jù)僅需幾十秒，速度可以滿足要求。DAVICOM公司生產(chǎn)的DM9000網(wǎng)絡(luò)控制芯片是一款10/100M自適應(yīng)單芯片以太網(wǎng)控制器，集成了MAC層控制器、PHY層控制器和片內(nèi)4K dword SRAM緩存器，支持8位、16位、32位微處理器接口，支持MII接口，采用低功耗設(shè)計(jì)，工作溫度范圍0～85℃，IO引腳5V耐壓，采用了LQFP100的貼片封裝。 　　DM9000具有三種不同的配置模式：默認(rèn)模式，IO限定引腳模式和EEPROM模式。三種模式的優(yōu)先級(jí)為EEPROM最高，IO引腳模式其次，默認(rèn)模式最低。EEPROM模式，DM9000的配置信息存儲(chǔ)在外部的串行EEPROM里，系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，DM9000通過(guò)SPI接口，自動(dòng)將配置信息讀出; IO限定引腳模式，DM9000的配置信息（包括總線寬度、IO基址、中斷極性等）都由特定引腳的電平?jīng)Q定，在系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)完成;特定引腳都內(nèi)置了60KΩ的下拉電阻，默認(rèn)為低電位，即默認(rèn)模式。在本課題中，為方便地完成初始化配置過(guò)程，選用默認(rèn)模式，不必使用專(zhuān)用的ROM，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)中采用默認(rèn)的配置模式，使用16位數(shù)據(jù)總線，分配地址0x86000000用于訪問(wèn)尋址端口，分配地址0x86000004用于訪問(wèn)數(shù)據(jù)端口，分配INT9作為DM9000中斷輸入口，圖二給出了DM9000硬件接口電路。 [align=center] 圖 二 ：DM9000接口示意圖[/align] 　　4.3 人機(jī)接口模塊的實(shí)現(xiàn) 　　人機(jī)交互模塊需有命令接收和狀態(tài)顯示功能。為了便于操作，設(shè)計(jì)中沒(méi)有選擇鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入方式。旋鈕、按鈕等操作方式靈活性差，不利于功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)中也沒(méi)有采用。LCD與觸摸屏組成的人機(jī)接口結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，是比較合適的選擇。S3C2410集成有觸摸屏接口和LCD控制器，更大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了可靠性，減小了儀器體積。 　　LCD屏包括定制顯示、字符顯示、全圖顯示三種類(lèi)型，為便于靈活顯示選用全圖顯示LCD屏。集成的LCD控制器支持STN LCD和TFT LCD，支持多種尺寸的LCD屏?？紤]LCD性能及設(shè)備外形與裝配，選用臺(tái)灣元太公司生產(chǎn)的TFT液晶屏V16C6448AC， 6.4inch，全彩色，可視角度15/35（L/R），55/55（U/D），解析度640×480。觸摸屏選擇流行的四線電阻式觸摸屏，性能可靠，屏的大小也為6.4inch，與LCD屏匹配。 　　LCD控制器用來(lái)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)并產(chǎn)生必需的控制信號(hào)，主要包括REGBANK、LCDCDMA、TIMEGEN、VIDPRCS。REGBANK用來(lái)配置控制器，使之與LCD面板相匹配。TIMEGEN 產(chǎn)生LCD控制信號(hào)，如VSYNC，HSYNC，VCLK，VDEN等。LCDCDMA為專(zhuān)用DMA，可自動(dòng)傳送幀存儲(chǔ)區(qū)視頻數(shù)據(jù)到LCD驅(qū)動(dòng)器，不受CPU的干預(yù)。VIDPRCS從LCDCDMA接收數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的格式發(fā)送到LCD驅(qū)動(dòng)器。 5、總結(jié) 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是：在設(shè)計(jì)中，采用以實(shí)物為基礎(chǔ)實(shí)時(shí)仿真機(jī)制，以ARM9處理器S3C2410和FPGA為核心成功搭建了硬件仿真平臺(tái);實(shí)現(xiàn)了底層驅(qū)動(dòng)程序與上層軟件程序的編寫(xiě)與調(diào)試，可進(jìn)行測(cè)井項(xiàng)目的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠按照實(shí)際機(jī)器人的工程作業(yè)過(guò)程，對(duì)地面系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面仿真和模擬。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 馬忠梅， 徐英慧.ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ). 北京：航空航天大學(xué)出版社 　　[2]曾繁泰，陳美金著.VHDL程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2003 　　[3] 郝立果，王玉東等， 基于CPLD和MCU網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)機(jī)器人研究，北京，《微機(jī)算計(jì)信息》，2005.No.10-2 　　[4]黃田苗，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā).北京：清華大學(xué)出版社,2002