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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，平面游戏由于其
2、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、移动通信技术以及智能化数字终端技术
3、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，还有很长的路要走。”这其中，深厚的技术实力，悠久的历史
4、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（J04V、F05P），编解码的功能完全采用复杂可编程逻辑控制器（
5、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。4 学习超声波定位和时分复用技术，用Verilog语言实现超声波定位系统中模型坦克端、及接收端程序的编写。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
6、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
7、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
8、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，嵌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、315M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
9、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
10、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、
11、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。 公式（2-1） 公式（2-2） 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Quartus7.0，功能仿真和后仿真软件选择的是第三方软件公司Ment
12、or 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。Protel 99SE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
13、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IEEE
14、802.11g等。（1）IEEE802.11标准：1990年IEEE802标准化委员会成立IEEE802.11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 80
15、2.11的基础上增加了两种更高的通信速率5.5Mbit/s和11Mbit/s。IEEE802.11b采用与有线等价的保密机制WEP（Wire Equivalent 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。（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8021.b的无线接
