1、第一章 绪论1.1 实景数字游戏的提出意义 随着 IT 技术的发展，游 戏已从传统游戏发展为当今流行的数字游戏。近年来国际上数字游戏行业迅猛发展以及欧美、日本、韩国等游戏产业项目大量进入中国，使国人感受到了游戏产业的巨大魅力。从早期的电子游戏到近年来风靡一时的网络游戏，嘉年华、迪斯尼等国外各类经典游戏，使我们清楚看到了中国数字游戏产业与国际的差距。据估计，中国目前数字游戏产业总规模至少有几百亿元的巨大市场，其中相当一部分流行的游戏模式来源于国外，这就进一步促使我们奋起直追，而实景数字游戏模式则是缩小与国外差距，并超越他们的一个很好的机会。因为当今世界游戏的发展已经进入了一个崭新的时期，平面游戏
2、由于其单一的表现形式，逐步趋近于其瓶颈，而对游戏多元化的体验的追求，成为现今游戏发展的必然出路。 实景数字游戏是指在真实的环境中，通过计算机、电子、通信、网络、自 动控制、航空航天、人机智能交互与软件等技术，共同构建了一个基于实景的游戏环境，游戏参与者利用运营商提供的 PDA、特殊电子装备、服装以及电子化道具等设备，完成由运营商提供的丰富多彩的基于真实环境的真人任务，也可以尝试自己设计的各种剧本和角色，真实地体验角色扮演游戏和互动游戏的魅力。 在游戏中，PDA、手机、电脑以及大量的电子设备 都变成了游戏实景世界中的游戏设备与道具。GPS 定位技术、卫星定位技术、 计 算机网络技术、移 动通信技
3、术以及智能化数字终端技术等多种技术被整合在一起。实景数字游戏是对传统游戏的又一次革命，是电视游戏、网络游戏之后的一项全新数字化娱乐方式1。 1. 2 实景数字游戏的国内外发展现状 迪斯尼公园创立于 1922 年，经过多年的发展已成为一个跨国集团，其业务涉及电影，主题公园，房地 产以及其他 娱乐事业等各个领域。它在 2005 年初成立实景数字游戏开发机构，计划利用计算机新技术开发新游戏，目前已经有新项目问市。 中国目前的数字娱乐产业总规模至少在几百亿元， 但其中相当一部分流行的娱乐模式来自于国外。面对迪斯尼、魔兽世界等国外各类经典娱乐模式的冲击，业内人士曾发出感慨：“中国的数字娱乐产业 ，还有很
4、长的路要走。”这其中，深厚的技术实力，悠久的历史文化背景等，形成了最主要的差距。 在 2006 年底由中国时代远望科技有限公司下属的北京爱航工业公司宣布“Majoy 真人实景数字游戏”正式 问世，首个开放地点位于北京市石景山区国 际雕塑公园内。这也是国内首个自主研发的真人实景数字游戏项目。它一经出现就吸引了众多顾客的光顾，市场潜力很大。1.3 本文主要研究内容 本课题研究的重点是模型坦克对战系统的超声波定位。模型坦克的超声波定位是实景数字游戏与遥控游戏的最大区别，同时也是实景数字游戏的一大亮点。通过软硬件的结合， 实现具体的控制方案。 在超声波定位系统中，对定位信号的控制，应用了射频收发模块（
5、J04V、 F05P），编解码的功能完全采用复杂可编程逻辑控制器（CPLD）完成，这样的超声波定位系统较应用无线编解码模块（2262，2272）的定位系统极大的缩短了延时时间，从而提高了定位精度。 本文主要工作如下： 1 学习无线局域网技术，利用无线网卡、嵌入式无 线设备服务器和无线接入点建立无线局域网。 2 学习 FPGA/CPLD 技术，在可编程控制器上，利用 Verilog 语言实现模型坦克控制指令的接收和坦克模型状态信息的回传。 3 学习无线射频编解码模块的原理及功能，恰当的应用与本设计。 用 4 学习超声波定位和时分复用技术， Verilog 语言实现超声波定位系统中模型坦克端、及接
6、收端程序的编写。 5 学习硬件设计和 PCB 技术， 设计坦克模型控制、无 线射频收发和超声波定位系统的硬件电路，并绘制 PCB 板。 本文共分为六章，结构如下： 第一章：绪论。这一章主要阐述了本课题的选题背景、研究意义，并 说明了本文的主要工作任务。 第二章：系统整体设计。本章介 绍系统的整体功能，整体构架、各模块的功能和系统开发平台及相关工具。 第三章：系统的相关原理。本章总共分 5 节。第一节介绍无线局域网技术，首先从无线局域网标准、拓扑结构等介绍无线局域网基本技术，最后介绍无线局域网的构建。第二节从超声波定位原理和时分复用实现多辆坦克模型的定位两个方面来介绍超声波技术。第三节介绍的是介
7、绍接收器参考点的选取的基本原则和示例。第四节阐述的是 EDA 技术，该节介绍了 FPGA/CPLD、硬件描述语言 Verilog和 FPGA/CPLD 开发常用工具。最后一节说的是 PCB，该节从 PCB 设计原则、抗干扰处理及平时 PCB 设计经验方面，对 PCB 做了简单的叙述。 第四章：系统的硬件设计。本章主要通 过电路原理图来说明系统硬件电路的设计。这一章虽然语言文字不多，但它是系统设计的一个非常重要部分。 第五章：系统的软件设计。这一章从嵌入式软件和服务器端软件两个方面，具体阐述了超声波定位的实现方法。 第六章： 总结与展望部分。 该章节虽然最短，但是它是系 统设计的精华。本章指明了
8、本系统的创新点， 系统调试过程中遇到的问题及解决方法和需要改进之处。 附录部分：在附录部分给出了 CPLD 内嵌程序的整体架构，硬件电路的 PCB图。 第二章 模型坦克定位系统整体设计2.1 系统整体架构 模型坦克定位系统整体结构如图 2-1 所示。服务器通过 IEEE802.11g 无线局 嵌域网把来自输入设备手柄的控制指令传送给嵌入式无线设备服务器 Wiport， 入式无线设备服务器 Wiport 解析指令并将其重新封装成串行数据格式，然后 传给可编程控制器 CPLD。CPLD 解析指令并产生相应的控制信号。 驱动超声波发射电路、无线射频编码芯片，从而实现 40KHz 超声波的发射、315
9、M 电磁波的发射。定位系统的接收端通过超再生检波电路解调出 315M 的高频信号，送往无线射频解码芯片；通过超声波接收振子接收超声波。将高频信号和超声波送往可编程逻辑器件 CPLD，通过软件编程实现信号的处理、定时、回 传。 图 2-1 定位系统整体架构2.2 系统功能设计 模型坦克定位系统融合了网路技术、与 GPS 定位系统原理相同的超声波定位技术，通过网络实现对运动模型坦克的遥控及实时定位，突破了传统遥控玩具的单一性，实现了信息的即时反馈和汇总。 模型坦克即超声波发射端由嵌入式无线设备服务器 Wiport、可编程逻辑器件CPLD、无 线射频发射模块、超声波 发射头组成。超声波接收端由嵌入式
10、无线设备服务器 Wiport、可编程逻辑 器件 CPLD、无线射频接收模块、超声波接收头组成。服务器用于发送模型坦克控制指令，控制模型坦克在模 拟战场中的运动和定位信号的发送。无线接入点用于搭建无线局域网，是模型坦克和服务器之间的指令和信息传输中转站。模型坦克与服务器之间采用 IEEE802.11g 无线网络连接，其网络拓扑结构采用星型网络结构。 2.3 模型坦克超声波定位 在T1 时刻，服务器发出模型坦克发射315M 电磁波的命令，由于EM信号是以光速传播的，其传播时间可以忽略，但无线射频编解码芯片的编解码需要一定的时间，经验证超声波的发射比高频信号的发射延时30.07ms可以保证测量数据的
11、准确性。接收端接收到高频信号后立即启动计数器，并开始接收超声波信号，当超声波的首波被三个超声波接收头收到时计时停止，此时计数器的计数值即为超声波信号的传播延时，因此高频信号在整个定位方案中起到了时间基准的作用。假设三个超声波接收头收到的时间分别为t1、t2、t3。根据t1、 t2、t3的值，即可计算出坦克模型1距三个参考点的距离A、 B、C。最后把A、B、C带入公式（2-1）、（ 2-2）和（2-3）便可得出坦克模型的坐标，从而实现对坦克模型的定位。 A x x1 2 y y1 2 z z1 2 公式（2-1） B x x2 2 y y 2 2 z z 2 2 公式（2-2） C x x3 2
12、 y y 3 2 z z 3 2 公式（2-3 ）2.4 系统开发平台 本系统的开发主要包括两个部分，第一部分是可编程控制器内嵌入式程序的设计，第二部分是硬件电路设计和 PCB 板的绘制。 嵌入式程序完成指令接收/发射、解码/编码、 驱动电机、计数、信号回传等功能。可编程控制器采用的是 Altera 公司的 EPM7256 CPLD，编译下载环境是Quartus 7.0，功能仿真和后仿真软件选择的是第三方软件公司 Mentor Graphics公司的 ModelSim SE 6.1F。 硬件 PCB 设计环境选用的是 Altium 公司性能较为稳定的 Protel 99SE。Protel99S
13、E 的功能十分 强大，集原理 图设计、可 编程逻辑器件的建立、电路混合信号仿真、印制电路板设计与布线、信号完整性 检查以及设计规则分析等功能于一身，在电子电路设计领域占有及其重要的地位，是电路设计者的一款很实用的工具。 第三章 模型坦克定位系统相关原理3.1 无线局域网技术 无线局域网是利用无线电波作为传输媒介实现快速接入以太网络的技术，是有线局域网的延伸。作为传统有线局域网的补充和扩展，无线局域网能使网上的计算机具有可移动性，能快速、方便地解决使用有线方式不易实现的网络连通问题。与有线局域网相比，WLAN 具有安装便捷、使用灵活、经济节约、易于扩展等优点。 从广义上讲，凡是采用无线传输的计算
14、机局域网络都可称为无线局域网，具体而言，以无线电波、激光、 红外线等来代替有线局域网中的部分或全部传输介质便构成了无线局域网；而从狭义上讲，无线局域网一般是指遵循 IEEE802.11系列协议的无线技术网络。本系统采用的是 IEEE802.11g 标准的无线局域网。 3.1.1 IEEE 802.11 标准体系 IEEE802.11 标准体系，是 IEEE 委员会提出的无线局域网标准，主要包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE8201.11b 和 IEEE802.11g 等。 （1）IEEE802.11 标准：1990 年 IEEE802 标准化委员会成立 IEEE802.
15、11 无线局域网标准工作组。工作组于 1997 年 6 月公布了 IEEE802.11 标准，它是第一代无线局域网标准之一。该标准定义了物理层和介质访问控制层规范，允许无线局域网及无线设备制造商建立互操作网络设备。该标准工作在 2.4GHz 频段，支持 1Mbps 和 2Mbps 的数据传输速率。 （2）IEEE802.11b：为了支持更高的数据 传输速率， IEEE 于 1999 年 9 月批准了 IEEE 802.11b 标准。 IEEE802.11b 标准对 IEEE802.11 标准进行了修改和补充，其中最重要的改进是在 IEEE 802.11 的基 础上增加了两种更高的通信速率5.5
16、Mbit/s 和 11Mbit/s。IEEE802.11b 采用与有线等价的保密机制 WEP（WireEquivalent Privacy）来保证信息的安全性，IEEE802.11b 的保密机制 WEP 采用了对称加密算法 RC4，提供 40bit 长度的加密密 钥。 （3）IEEE802.11a：IEEE802.11a 扩展了 IEEE802.11 标准的物理层，工作在 5GHz，采用正交频分复用OFDM 的多载波调制技术来传输数据。物理层速率可达 54Mbps，传输层可达 32Mbps。802.11a 优势在于传输速率快 54Mbps（最高达108Mbps，）受干扰少，但价格相对较高。 （
17、4）IEEE802.11g： IEEE802.11 无线局域网工作小组于 2001 年 11 月 15 日又提出了新的 IEEE802.11g 标准。该标准与以前的 802.11 协议标准相比有一下两个特点：一是在 2.4GHz 频段使用正交 频分复用调制技术 OFDM，使数据传输速率提高到 54Mbps；二是提供三个互不重叠的子信道，并且保留了 802.11b 所采用的 CCK 技术，同 时采用了一个“ 保护” 机制，使基于 802.11g 的无线接入点AP 可与基于 802.11b 的无线网卡相关联，也可以使基于 802.11g 的无线网卡与基于 8021b 的无线接入点 AP 相关联，即
18、保证了向后兼容性。IEEE802.11g 规定IEEE802.11 为必备的执行模式， 在 同时规定 OFDM 为必备的调制技术， 2.4G Hz频段提供 IEEE802.11a 的速率，并提供了可选模式 CCK-OFDM 和 PBCC-22 两种调制方式。3.1.2 无线局域网的拓扑结构 无线局域网的拓扑结构整体可分为两类：一个是自组网拓扑（Ad-Hoc，拉丁语），另一个是基 础结构拓扑（Infrastructure）。Ad-Hoc 网络的所有终端都是由无 线客户端设备构成，不含有线网络连接，覆盖的服务区称为独立基本服务集（IBSS， Independent Basic Service Se
19、t）。IBSS 至少包括两个无线站点，没有中继功能，一个移动终端要想和其他移动终端通信，必须处在能够直接通信的物理范围之内。对高服务质量（QoS ）业务的传输，必须采用特别的路由控制技术。 Ad-Hoc 是最基本的 IEEE802.11 无线局域网。 基础结构拓扑网络由无线接入点（AP）、无 线工作站（ STA）以及分布式系统（DSS）构成，其覆盖的区域分基本服务区（BSS，Basic Service Set）和扩展服务区（ESS，Extended Service Set）。无线接入点 AP 用于在无线工作站 STA 和有线网络之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通讯都经过 AP 完成，所以也
20、称为有中心拓扑结构。无线接入点 AP 通常能够覆盖几十至几百个用 户，覆盖半径达上百米。AP 可以连接到有线网络， 实现无线网络和有线网 络的互联。在 Infrastructure 网络中，所有的客户端都通过 AP 相互通信。 本设计采用的是带有一个 AP 的 Infrastucture 网。由于 该 AP 没有连接有线网络，所以又称为独立型无线局域网。3.1.3 无线局域网的搭建 本系统所搭建的无线局域网是由一台笔记本、一个 AP、若干坦克模型和若干个接收端所组成的独立型无线局域网。笔记本通过自带的无线网卡连接到无线接入点 AP，坦克模型和若干个接收端通过其上安装的嵌入式无线设备服务器Wip
21、ort 接入无 线局域网。无 线接入点是整个网 络的枢纽，由 TP-LINK 无线路由器充当。笔记本端无线网卡的配置比较简单，只需给无线网卡分配一个固定 IP并保持其 SSID 的名称与 AP 的一致即可。因此该独立型无线局域网的搭建主要是无线接入点 AP 和嵌入式无线设备服务器的配置问题。3.2 超声波定位技术 超声波一般是指振动频率高于 20KHz 的机械波，它具有定向性好、能量消耗小、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点 它不受光线、被测物颜色等影响 在恶劣工作环境下具有一定的适应能力。它具有许多独特的优点，在其被发现不久就得到了广泛的应用，并迅速发展成为一门新兴的边缘学科超声学。
22、超声波测距的原理一般采用渡越时间法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质传播到接收器的时间（渡越时间 t）。渡越 时间与气体中的声速（ v）相乘，就是声波传输的距离（S）。公式 为： S v t （公式 3-1） 在空气中，超声波的传输速度易受空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。因此，计算距离时需要进行温度补偿。在已知环境温度 T（单位：）的情况下，超声波速度计算公式为： 331.45 1 T / 273.15 331.45 0.607T m / s v （公式 3-2） 带入公式 3-1 得： S 331.45 0.607T t （公式 3-3） 由公式
23、 3-3 计算出的距离（S ）可以精确到 cm 级。利用超声波检测往往比较迅速、方便，计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求。本系统所用的超声波定位通过测量超声波发射器到超声波接收器的首波来测定发射器和接收器之间的距离。3.2.1 超声波定位原理 本系统所用的超声波定位是模拟 GPS 定位系统原理，用超声波发射/ 接收头代替卫星的功能，具体思路如下。 首先在游戏区内建立直角坐标系统， 设定原点、X 轴、Y 轴和 Z 轴。在室内上空特定位置上 设置 6 个参考点 C1、C2、C3、C4、C5 和 C6。在上述参考点上，安装超声波接收头，在运 动的坦克上安装超声波发射头。运
24、 动的模型坦克不断接收到来自服务器端的命令，解码驱动无线射频发射电路发射高频信号，作为整个定位系统的时间基准；驱动超声波发射探头发射 40KHz 超声波。 参考点的布局使得在任何时刻，总有三个参考点的接收头会收到超声波，同时三个接收端的无线射频接收电路接收到 315M 高频信号，使计数器开始计时，经试验延时 30.07ms 之后开始接收超声波信号。 设该三点的坐 标分别为 c1x1，y1，z1、c2x2，y2，z2、c3x3，y3，z3。由 2.2 节超声波定位可知，坦克模型到 3 个参考点的距离 A、B、C，可由 CPLD 时钟计数来求得。令 x、y、z 分 、 、别为坦克在该直角坐标系统中
25、的坐标值，则公式（2-1）（2-2）（2-3）成立。 、 、根据公式公式（2-1）（2-2）（2-3），很容易求出坦克在该直角坐标系统中的坐标值 x、y、z。坦克在不断运动，A 、B、C 值也在不断变化，坐 标值 x、y、z 也在不断更新，从而实现了对坦克的实时定位。3.2.2 超声波定位算法 定位算法是在定位网络的服务器端完成的，超声波的传播速度为如公式3-2所示。假定被定位模型坦克的三维坐标为xyz和至少有4个接收端不在同一平面上，则被定位模型坦克到接收端的距离为 1 Vt i xi x 2 y i y 2 z i z 2 2 （m）（1ltiltn且ngt4） 公式3-4很明显式公式3-
26、4是一组非线性超定方程， 可以用最小二乘法求被定位tank的三维坐标估计值 1 n x y z arg min x y z vti xi x 2 yi y 2 z i z 2 2 n i 1 （公式3-5） 可以证明： 只要每个接收端对 Vti 的测量误差是都满足N O， 2 且相互独立，则式3-5的结果也是最大似然估计，随着n的增加，它也将是无偏估计。3.2.3 时分复用和多辆坦克定位系统 时分复用借助“ 把时间帧划分成若干 时隙和各路信号占有各自时隙” 的方法来实现在同一信道上传输多路信号。本系统中若干辆坦克的定位信息的回传，采用时分复用的方式，其时隙图如图 3-1 所示。在 时间轴上，所
27、有坦克模型的一次轮询称为一帧，每辆坦克模型的一次定位称为一个时隙。为防止时隙间和帧间串扰，时隙与时隙之间有时隙间隔，帧与帧之间有帧间隔。 一个时隙 帧间隔 时隙间隔 一帧 t 、 图 3-1 坦克定位系统时隙图 当一个时隙开始时，服务器向模型坦克发送控制指令，然后等待参考点的回传信号。一旦接收到回传信号，服务器就会根据超声波定位原理，计算出该模型坦克的坐标并显示结果，然后结束时隙。如果在规定时间内未接收到回传信号，服务器就会强行终止时隙，之后等待一个短暂的时隙间隔，然后开始下一个时隙。当 10 辆模型坦克都轮询完一遍，一 帧结束。经过一个短暂的帧间隔之后开始下一帧。时间轮询不断循环进行，直到游
28、 戏结束。这样，服务器就可以实时监控模拟战场中的所有模型坦克了。3.3 房顶接收器安装参考点的选取3.3.1 参考点位置的选取原则 一个模型坦克（内设超声波发射端，位于地面）、三个不共线的参考点（内设超声波接收端，参考点位于模拟战场顶部）即构成一个定位系统的基本单元。整个定位系统可认为是由一个个基本单元组成的；超声波发射接收都是有一个辐射锥角的，我们选用的超声波探头发散锥角为 90 度。根据这些信息，我 们建立一些数学模型，以合理布置参考点。 为了研究方便，我 们设定模型 战场为平地，并将模拟战场高度记为 h （对于非平地的模拟战场，我们取顶部到最低端的距离为高度 h ）。由于超声波接收探头的发散锥角为 90 度，我们根据该角度和高度 h ，可以为任意一个参考点绘制图 3-1，参考点将在地面投射下一个圆形“斑” ，位于该“斑” 中的模型坦克发射的超声波都能被参考点所接收。由此可知，该参考点可以覆盖的范围为该圆形“斑”。 单位：m h 2h 图 3-1 参考点的辐射范围 据此，我 们得到了参考点选取的一般原则：（1）根据战场情况，建立三维直角坐标系。（2）根据战场情况， 试探性的布置参考点，并保证任意三个参考点的组合不会出现三点共线（保证定位方程组有解） 。（3）令各个参考点在地面投射圆形“斑”.
