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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:廖志昇
研究生(外文):Chih-Sheng Liao
論文名稱:虛擬實境動態模擬系統之即時嵌入式控制單板研製
論文名稱(外文):Development of Real-time Embedded Control System for a VR Motion Simulator
指導教授:林進燈林進燈引用關係
指導教授(外文):Chin-Teng Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電機與控制工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
中文關鍵詞:嵌入式控制單板虛擬實境動態模擬系統
外文關鍵詞:Embedded control systemVR motion simulator
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電子產品朝向輕薄短小的設計概念邁進乃是近年來硬體發展的趨勢,而嵌入式系統因具有精簡、整合、體積小的特性而被廣泛的應用到控制相關領域裡。在本論文裡有效的應用上述之嵌入式系統優點在虛擬實境的硬體研發上,將整個軟硬體控制單元用一塊可獨立運作的控制單板來實現。
在此控制單板的硬體設計裡,主要包含以StrongARM微處理器為核心的嵌入式單板,及由此單板上的Data Bus和Address Bus擴充出來的12位元數位類比轉換介面卡,在與VR場景端的通訊上用TCP/IP來傳送六軸姿態,另一端與運動平台溝通的介面則是透過數位類比轉換介面卡。整個嵌入式系統扮演的是一個動態場景與運動平台間的溝通橋樑,負責把數位的動態資料轉換成平台所接受的軸電壓以對應腳長,並當作控制演算法的運算平台。
嵌入式系統的軟體系統方面,本論文將屬於應用軟體層的網路連線程式與控制程式等應用程式整合,搭配高穩定性、具多工能力且網路功能強大的ARMLinux作業系統,並用模組化驅動程式的設計概念,自行撰寫數位類比轉換介面卡的驅動程式載入核心,其處理效率與功能等於一塊單板電腦,可直接取代原來體積龐大的工業電腦。
This work integrates the hardware and software of embedded control system into a single board with embedded OS for the control of a VR motion simulator. The board is standalone and capable of replacing a control computer directly.
Our hardware architecture includes an ARM-based mother board, a set of analog/digital interface, and a TCP/IP ethernet card. The circuit of analog/digital interface was designed by ourselves for transferring digital data to analog or vice versa. This analog/digital converter offers an interface between motion platform and simulation data of the VR Server. The whole embedded control system is responsible for receiving simulation data from VR Server by TCP/IP network interface, and performing some control algorithims to motivate the motion platform through the analog/digital converter.
As for the system software, we design an analog/digital device driver for our analog/digital converter, and then port the application of networking and control algorithms in embedded operation system(OS) --ARMLinux. The device driver is developed in module, so we can insert it in the OS kernel without rebooting.
In the experiment, we find out using the embedded control system mentioned above has many benefits. Such as modulization, simple hardware, and open source OS. Therefore, we conclude that embedded hardware/software system could be a trend for controlling the motion platform in a VR-based motion simulator.
目 錄
中文摘要………………………………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………iii
目錄……………………………………………………………………………iv
表目錄…………………………………………………………………………vi
圖目錄………………………………………………………………………vii
第一章 緒論………………………………………………………………1
1.1 研究動機與目的………………………………………………………1
1.2 研究背景……………………………………………………………2
1.3 論文架構………………………………………………………………4
第二章 運動平台與嵌入式硬體簡介………………………………………5
2.1 六軸運動平台介紹……………………………………………………5
2.2 嵌入式硬體(LART)…………………………………………………6
2.2.1 主板(main board)……………………………………………7
2.2.2 週邊裝置與介面擴充板(kitchen sink board)………………9
2.2.3 網路卡(Ethernet board)………………………………………10
第三章 LART嵌入式單板之中央處理器與作業系統………………………11
3.1 LART之SA1100微處理器……………………………………………12
3.2 LART作業系統………………………………………………………17
第四章 LART嵌入式單板之A/D、D/A介面與硬體設計……………………21
4.1 嵌入式系統硬體架構…………………………………………………21
4.2 D/A 轉換器與A/D 轉換器……………………………………………26
4.3 解碼電路設計…………………………………………………………34
4.4 硬體測試之實驗結果…………………………………………………36
第五章 LART嵌入式單板之Linux硬體裝置驅動程式設計………………45
5.1 Linux版本相依性………………………………………………………47
5.2 硬體驅動程式的主要與次要代碼(Major & Minor number)………47
5.3 硬體驅動程式的使用量記次…………………………………………48
5.4 檔案操作資料結構(file_operations)………………………………49
5.5 使用者空間與核心空間驅動程式……………………………………51
5.6 D/A硬體介面驅動程式…………………………………………………52
5.7 A/D介面驅動程式………………………………………………………56
第六章 嵌入式軟硬體系統整合與其在VR動態模擬之系統應用…………58
6.1 網路連線程式…………………………………………………………59
6.2 控制程式移植…………………………………………………………60
6.2.1 Inverse Kinematics程式發展……………………………………60
6.2.2 奇異點規避程式發展………………………………………………62
6.2.3 動作提示(Motion Cue)……………………………………………64
6.3 整合嵌入式控制單板與場景連線之動態展示………………………68
6.3.1 海浪場景連線展示……………………………………………………69
6.3.2 分散式飛機操控模擬訓練系統………………………………………70
第七章 結論與展望…………………………………………………………74
7.1 控制端硬體平台比較…………………………………………………74
7.2 未來展望………………………………………………………………75
表目錄
表3-1 StrongARM和其他ARM家族差異表…………………………………12
表3-2 GPIO暫存器功能介紹………………………………………………16表3-3 Blob提供的指令功能………………………………………………18
表4-1 SA1100記憶體映射位址與對應之D/A觸發訊號…………………24
表4-2 SA1100記憶體映射位址與對應之A/D觸發訊號…………………25
表4-3 AD7541 數位至類比轉換器之輸入輸出關係……………………27
表4-4 AD7545之時序要求…………………………………………………28
表4-5 AD678輸入電壓與所對應之輸出數位值……………………………31
表4-6 AD678之時序要求……………………………………………………32
表7-1 實驗室所發展控制平台比較………………………………………74
圖目錄
圖1-1 實驗室之控制硬體發展沿革………………………………………3
圖2-1 六軸平台機構圖……………………………………………………5
圖2-2 伺服油壓系統圖……………………………………………………6
圖2-3 LART主板上層圖……………………………………………………8
圖2-4 LART主板底層圖……………………………………………………8
圖2-4 LART接上KSB之後的雙層版側視圖…………………………………9
圖2-6 LART主板接上KSB與網卡後之三層板………………………………10
圖3-1 SA1100微處理器架構圖……………………………………………13
圖3-2 SA1100微處理器記憶體介面………………………………………14
圖3-3 SA1100微處理器記憶體映射圖……………………………………15
圖4-1 LART嵌入式系統架構圖……………………………………………21
圖4-2 硬體電路架構圖……………………………………………………22
圖4-3 SA1100 記憶體映射圖……………………………………………24
圖4-4 AD7545A功能方塊圖………………………………………………26
圖4-5 數位至類比轉換器內部結構………………………………………27
圖4-6 AD7545 時序圖………………………………………………………27
圖4-7 D/A輸出偏壓微調電阻………………………………………………28
圖4-8 輸出端之二階低通濾波器…………………………………………29
圖4-9 數位轉類比電路系統方塊…………………………………………30
圖4-10 AD678功能方塊圖…………………………………………………30
圖4-11 AD678時序圖…………………………………………………………31
圖4-12 類比多工器DG508功能方塊圖與真值表……………………………32
圖4-13 前置一階濾波器……………………………………………………33
圖4-14 類比轉數位電路系統方塊…………………………………………34
圖4-15 ADDA解碼電路………………………………………………………35
圖4-16 GPIO規劃示意圖……………………………………………………36
圖4-17 D/A轉換流程圖……………………………………………………37
圖4-18 數值0xff8轉類比電壓測試時序波形圖……………………………38圖4-19 數值0x999轉類比電壓測試時序波形圖…………………………38
圖4-20 數值0x333轉類比電壓測試時序波形圖……………………………39
圖4-21 連續數值轉換測試 …………………………………………………39
圖4-22 A/D轉換流程圖………………………………………………………40
圖4-23 輸入3.4V電壓轉數值0x588之時序波形圖…………………………41
圖4-24 AD轉換完成之系統讀回數值0x558…………………………………41
圖4-25 輸入4.9V電壓轉數值0x7f8之時序波形圖…………………………42
圖4-26 AD轉換完成之系統讀回數值0x7f8…………………………………42
圖4-27 輸入1V電壓轉數值0x180之時序波形圖…………………………43
圖4-28 AD轉換完成之系統讀回數值0x180…………………………………43
圖4-29 輸入0.1V電壓轉數值0x27之時序波形圖…………………………44
圖4-30 AD轉換完成之系統讀回數值0x27…………………………………44
圖5-1 Linux作業系統之工作空間…………………………………………45
圖5-2 核心、主要代碼與次要代碼之關係………………………………48
圖5-3 驅動程式內的檔案操作與應用程式呼叫對應……………………49
圖5-4 D/A裝置驅動程式主架構……………………………………………53
圖5-5 read函式所用的參數對……………………………………………56
圖5-6 A/D的read檔案操作………………………………………………57
圖6-1 軟體系統架構………………………………………………………58
圖6-2 TCP/IP Socket連線流程 …………………………………………59
圖6-3 上下平台分析圖……………………………………………………61
圖6-4 Inverse Kinematics 程式發展架構………………………………62
圖6-5 奇異點規避程式發展架構…………………………………………63
圖6-6 動作提示與六軸平台之完整架構…………………………………65
圖6-7 上平台與下平台座標之剛体運動關係……………………………66
圖6-8 沖淡演算法架構……………………………………………………66
圖6-9 嵌入式控制單板與各功能模組……………………………………68
圖6-10 船舶海浪場景之畫面………………………………………………69
圖6-11 海浪場景連線之第一、二軸輸出…………………………………69
圖6-12 海浪場景連線之第三、四軸輸出圖………………………………70
圖6-13 海浪場景連線之第五、六軸輸……………………………………70
圖6-14 飛行動態模擬………………………………………………………71
圖6-15 飛行動態模擬一、二軸輸出………………………………………72
圖6-16 飛行動態模擬三、四軸輸出………………………………………72
圖6-17 飛行動態模擬五、六軸輸出………………………………………73
【1】 張鴻祥, "虛擬實境之六軸動感平臺控制與系統整合", 國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 1998.
【2】 林育群, "應用糢糊類神經網路研究六軸平台運動分析與控制", 國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 1999.
【3】蘇豐裕, "以DSP為基礎之史都華平台控制系統發展與沖淡演算法之應用”, 國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 2000.
【4】練紹安,"分散式即時動態視覺模擬操控訓練系統之研發",國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文,2000.
【5】成瑞錦, "以Linux嵌入式系統實現虛擬實境動態模擬器控制", 國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 2001.
【6】盧泰均,"虛擬實境即時船舶動態模擬系統之場景與模型建立",國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 2001.
【7】顏嘉祥, "自調式沖淡濾波器之發展及其於虛擬實境船舶動態模擬系統之應用",國立交通大學電機與控制工程研究所碩士論文, 2001.
【8】胡竹生 伊燕陶, 及時多工核心程式設計, 全華, 1997.
【9】郝筧丹,Protel schematic 98, 全華, 1999.
【10】張義和, 非常PCB設計, 松岡, 2000.
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【12】探矽工作室, 嵌入式系統開發聖經, 學貫行銷, 2002.
【13】Silberschatz /Galvin /Gagne, 作業系統概念的應用, 絡詩軒 絡詩富譯, 東華書局, 2000.
【14】 Michael Barr, 嵌入式系統─使用C/C++, 江俊彥、林長毅譯, O’REILLY, 2000.
【15】 Allessandro Rubini, LINUX驅動程式, 歐芳吉譯, O’REILLY, 2000.
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【17】Wookey and Paul Webb, Guide to ARMLinux for Developers, Aleph One Ltd, 2001.
【18】ARM, ARM Software Development Toolkit, 1998.
【19】Dave Jaggar, ARM Architecture Refrence Manual, ARM & Prentice Hall, 1996.
【20】Steve Furber, ARM System-on-Chip Architecture, Addison-Wesley, 2000.
【21】D. Stewart,“A Platform with Six Degrees of Freedom”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. 180, Part 1, No. 5, pp. 371-386,1965-1966.
【22】http://www.lart.tudelft.nl網站裡有LART嵌入式系統的完整研究。
【23】ARM, ARM 7TDMI Data Sheet, 1995.
【24】Nicolas A. Pouliot and Clement M. Gosselin and Meyer A. Nahon, ”Motion Simulation Capabilities of Three-Degree-of-Freedom Flight Simulators.” Journal Of Aircraft, Vol 35. No. 1, January-February 1998
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1. 黃同圳(1998),「人力資源管理策略化程度與組織績效關係探討」,輔仁管理評論,第5 卷第1 期,頁1-18
2. 陳麗瑛(1991),「兩岸經濟整合的可能模式與影響」,經濟前瞻,5月
3. 陳麗瑛(1991),「兩岸經濟整合的可能模式與影響」,經濟前瞻,5月
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5. 趙必孝(1997),「臺商在大陸的人力資源策略、控制與績效之研究」,勞資關係論叢,第6 卷第6 期,頁1-43
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9. 吳秉恩(1994),「策略性人力資源管理」,世界經理文摘,91 期,頁46-64
10. 吳秉恩(1994),「策略性人力資源管理」,世界經理文摘,91 期,頁46-64
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13. 趙必孝(1997),「臺商在大陸的人力資源策略、控制與績效之研究」,勞資關係論叢,第6 卷第6 期,頁1-43
14. 黃同圳(1998),「人力資源管理策略化程度與組織績效關係探討」,輔仁管理評論,第5 卷第1 期,頁1-18
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