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数据采集卡在音乐喷泉控制中的应用

作者:北京工业大学 王铁流 段 冶 敖日格勒
  摘要:文章结合大型音乐喷泉的工程实例,介绍了一种功能强、成本低的分级式结构计算机喷泉控制系统的设计原理和实施方案。
  
   喷泉能将水的灵性、音乐的美感和灯光的色彩完美结合在一起,给人以赏心悦目的感觉。随着社会经济和技术的发展、文化艺术生活品位的提高,人们对喷泉的技术含量和艺术效果也提出了更高的要求。如今,设置在城市广场等规模较大的喷泉,已不再是采用几个按钮或一些逻辑开关的简单控制就能满足观众日益提高的欣赏水平要求。为此,在工业自动化系统的工程经验基础上,开发了一套适合音乐喷泉特点的计算机控制系统。
  
  1 音乐喷泉控制概述
   音乐喷泉工程中安装有大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、实现特定的艺术效果之外,其它部件基本是通过开关量进行控制。这些开关信号驱动阀门、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合,从而产生各种水形和灯光变换效果。为了达到听觉、视觉的和谐统一,控制系统应能根据音乐的节奏、旋律和感情色彩输出,产生各种不同的状态组合来配合水形和灯光实时变化。这也是音乐喷泉的控制不同于工业控制的主要特点。
  形成水形的基本通路是由水泵、管道、阀门和喷头组成,针对不同水形要求有不同的控制方法。从喷泉的控制来看基本可分为四类:第一类水形,启动水泵直接向管道和喷头加压,效果是喷头的水柱在启动和停止时有一过渡的升降过程;第二类水形,需要通过变频器控制水泵转速来实现一种水柱连续升降的效果;第三类水形,在加压喷水时启动传动电机控制喷头摇摆,达到一种花型变换;第四类水形,需要在直接启动水泵向管道加压后,通过控制器快速地控制大量的电磁阀门的开闭,使喷嘴以各种方式进行点射,形成所谓“跑泉”和“跳泉”效果。
  
  2 矩阵式控制原理
   实际工程中将上述几种方式有机地组合起来实现多种水形变幻,再配以音乐和灯光,就可产生丰富多彩的艺术效果。实际上,这一过程从计算机的控制角度来看就是将一组一维的空间变量e=按照△T时间间隔顺序输出的过程。我们可以用一个控制矩阵[Aij]来进行表述。
  对控制矩阵处理是整个控制程序的核心。由于硬件驱动板卡为16路输出,[Aij]的列数为16的整数倍,目前系统主控变量设计列数最大为n=256,行数数量不受限制。所以,控制矩阵最大可做到m256,m可以取任意自然数。矩阵[Aij]中第i行元素对应本喷泉工程设
  计中某时段△T里一个确定的控制输出点排列。△T的取值范围是10mS~1S,按lmS间隔可调。矩阵[Aij]的第j列的每个元素对应控制该点部件的一个时间间隔为△T的输出序列。于是[Aij]的每个元素Aij对应第j个被控部件在第i个时段的输出状态,Aij=1为开启,反之为关闭。如果某行元素全为零,表明此时段整个系统无输出;某列元素全为零表明该部件在工作期间无输出(可能是备用通道)。实际控制矩阵中,行数m是乐曲的播放时间和间隔△T取值之比。
  控制矩阵可作为数组存放于计算机内存之中。当喷泉工作时,在音乐信号的触发下,计算机将并行地按着顺序逐行取出控制向量,再以△T为时间间隔向接口输出。
  控制矩阵的生成可由人工在屏幕上编辑,也可采用可视化的组态软件来实现。具体的实现方法这里不作重点介绍。
  
  3.控制系统的硬件构成
   较大的喷泉一般均有上百个控制点,有些广场喷泉可达到数百甚至上千个被控点,所以需要采用模块化的分级式控制系统来完成工程的全部控制。图1给出了一个典型的计算机喷泉控制系统的组成框图。
  为实现上述功能,系统在设计上根据不同负载类型,将大量的被控对象分为4类模块:
  (1)乐曲识别与处理模块。由模拟采集板和音源处理电路组成;
  (2)变频控制模块。由D/A输出板和变频器组成;
  (3)开关量的直控模块。用于彩灯、水泵和传动电机等,这是数量最多的模块;
  (4)分级控制的跑泉模块。由工控机、开关板和跑泉器构成三级控制结构。
  系统第一级的上位机是本控制系统的核心。由于现场电磁干扰很大,使用环境比较恶劣,主机需要采用标准工控机。上位机的任务是实现人机交互界面,存放音乐文件,对音频信号进行读入、分析,对下级的输出模块进行操作和控制整个系统的启停等功能。为完成上位机对各类功能部件的控制,机箱内配置了A/D卡、D/A卡和开关量功率输出板,而且还要保证工控机主板上有足够的扩展能力。标准板卡配置如下:
   (1)A/D卡,用于音乐信号的采集和识别,采用12位精度和100KHz转换速率可满足需要。计算机对外输入音乐信号的读取只需要强度信息即可,因此在进行A/D转换前还要加上有音乐信号的幅度包络检波电路;
   (2)D/A卡,用来输出模拟信号控制变频调速器,12位的分辨率和100KHz的转换速率,输出控制信号幅度为0~10V,一般有8~16个通道,为提高抗干扰能力采用光电隔离输出;
   (3)开关量输出卡,选用32个通道的光电隔离功率输出板,驱动能力达24V、50mA,但由于喷泉中的设备均为三相的交流供电,所以后面还要加上一级固态继电器的驱动板来驱动220V的交流接触器或电磁阀门。
  
  4 跑泉控制器模块
   由主控机直接控制的部件主要是一些变化复杂的开关量和模拟量。对于如跑泉(又叫跳泉)的阀门和循环彩灯等花色变换比较单一、控制点数很多、但要求响应速度又很快的输出量,可采用下位机分级控制。即由主机发出控制命令送至下位分机,再由分机根据接收的命令输出不同的花色信号来驱动阀门和彩灯。
   大型音乐喷泉中,水幕跑泉是在近百米的管道上安装几十路到上百路的阀控喷嘴,喷泉启动时近百个阀门以几十毫秒的间隔循环交替打开,形成一种气势磅礴的动感效果。而且要求跑动时间可调,花形变化及时。由此可见跑泉控制器在营造喷泉艺术效果中起到了至关重要的作用。本项目采用专门设计的,多达256个控制量的EELab-Ⅱ型嵌入式跑泉控制器。控制器机箱与工控19英寸标准机柜配套,水形花色在现场可编程。连同配套的软件已形成完整的产品。并且经实践证明运行可靠,而成本却远远低于PLC控制器。跑泉控制器的电路框图如图2所示。
   跑泉控制器的CPU采用的是单片机,采用电流环光隔控制输入。系统的上位机通过四条控制线送来16种状态控制跑泉控制器的工作。设计这种控制方案除结构简单、响应速度快以外,另一优点是对于其它简易型喷泉可以直接用拨码开关来控制,省去成本较高的主控计算机。
   跑泉控制器的工作原理与主控机相仿,当单片机接收到某一种控制信号后,按着设定的时间定时产生中断,然后顺序读取FLASHROM芯片里的喷泉花形矩阵数据,再通过地址译码分别锁存到输出口上,由外围驱动电路板通过固态继电器来控制跑泉喷头下方的电磁阀。如果工控机向单片机发送不同的控制信号,就能快速地实现各种花形切换。花形控制信号有4位,共计有16个状态,除0FH作为停止信号之外,其余15个状态分别对应15种花形的矩阵。存储器采用64KB的FLASHROM芯片,如果控制矩阵最大为256x256点,恰好4KB空间安放一种花形。单片机P1,0~P1.3口用于识别4位控制信号但同时也得到花形矩阵的分区地址代码。从FLASH相应地址空间调出花形数据,再经过地址分配电路,锁存到外围驱动电路板上控制电磁阀的开闭。本控制器还具有跑泉控制情况实时监测功能,除了在前面板用7段数码管显示当前花形种类,另有128个与输出相对应的LED来实时显示输出状态。
   本工程项目设计了两组跑泉,每组跑泉要控制115个电磁阀。为了使控制量每次输出时间间隔从5mS到0.5S连续可调,这套设备具有两种改变时间间隔的方法:一是通过FLASHROM写入不同定时参数,由单片机的定时中断实现,二是通过设备面板上的电位器手动调节。软件定时的优点是定时精确,手动调节的优点是可根据现场具体效果直接调整。
   本控制器的控制矩阵的输入具有在线可编程功能。在上位机用VB语言开发了自动生成花形数据的程序,只要给出跑泉路数和花形特征两类参数,就能自动生成16进制花形数据文件。然后通过串口向跑泉器主板传输已经生成的花形数据和时间间隔数据,使控制器机内的单片机可对FLASH芯片进行在线擦除和重新写入。
  
  5 音频信号的采集分析及模拟信号变频控制
   这部分是音乐喷泉的核心技术。控制喷泉的外部音频信号有多种来源,其中之一是来自音响系统的音源输出。该信号还要经过变换电路放大、滤波、限幅和检波,变成与音乐幅度的对数成比例的包络检波信号送到采集卡,其幅值为0~10V。
   模拟信号调控喷水高度的办法很多,其中最简单的是把采集到的音频信号经平滑后再转换成控制变频器的模拟输入电压,控制水泵的转速使水形跟随音乐节奏的快慢进行变化。由外部音源实现水形跟随变化的方案如图3所示。当然要做到水形跟随音乐旋律变化,并可靠地保证音乐起、水形起和音乐停、水形停绝不简单,而是要根据对大量乐曲音频信号的分析统计,给出一个判断依据和相应的阈值。
   随着近年来计算机的处理速度大幅提高,在音乐音质满足要求的前提下可以利用机内硬盘的WAVE文件来播放音乐,使计算机根据WAVE文件的数据实时识别音乐并同时控制喷泉运行。
   实际上在上述硬件的基础上,可以通过音频分析软件,结合一些特殊的处理方法和算法来产生更适合的控制代码。本系统上位机软件中音乐程控部分的流程图如图4所示,限于篇幅本文不再专门叙述。
  
  6 结束语
   这套计算机控制系统已经成功用于某大学校园广场的音乐喷泉,某省广播电视台演播大厅舞台喷泉项目也正在试用。结果表明:该系统的设计结构合理,安全可靠和控制精度等技术性能均能满足实际要求,而且成本低,使用简单方便,效果令人十分满意。
  
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