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數據采集卡在音樂噴泉控製中的應用

發表時間: 2020-05-12 10:03:41

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                                數據采集卡在音樂噴泉控製中的應用


                                                                        作者:北京工業大學 王鐵流 段 冶 敖日格勒


摘要:文章結合大型音樂噴泉的工程實例,介紹了一種功能強、成本低的分級式結構計算機噴泉控製系統的設計原理和實施方案。

噴泉能將水的靈性、音樂的美感和燈光的色彩完美結合在一起,給人以賞心悅目的感覺。隨著社會經濟和技術的發展、文化藝術生活品位的提高,人們對噴泉的技術含量和藝術效果也提出了更高的要求。如今,設置在城市廣場等規模較大的噴泉,已不再是采用幾個按鈕或一些邏輯開關的簡單控製就能滿足觀眾日益提高的欣賞水平要求。為此,在工業自動化系統的工程經驗基礎上,開發了一套適合音樂噴泉特點的計算機控製系統。

1 音樂噴泉控製概述
音樂噴泉工程中安裝有大量的電磁閥門、彩燈、水泵和產生其它機械動作的電機。除個別變頻水泵需要用模擬信號來連續調節水柱高度、實現特定的藝術效果之外,其它部件基本是通過開關量進行控製。這些開關信號驅動閥門、彩燈、水泵隨著音樂進行不同的組合,從而產生各種水形和燈光變換效果。為了達到聽覺、視覺的和諧統一,控製系統應能根據音樂的節奏、旋律和感情色彩輸出,產生各種不同的狀態組合來配合水形和燈光實時變化。這也是音樂噴泉的控製不同於工業控製的主要特點。
形成水形的基本通路是由水泵、管道、閥門和噴頭組成,針對不同水形要求有不同的控製方法。從噴泉的控製來看基本可分為四類:第一類水形,啟動水泵直接向管道和噴頭加壓,效果是噴頭的水柱在啟動和停止時有一過渡的升降過程;第二類水形,需要通過變頻器控製水泵轉速來實現一種水柱連續升降的效果;第三類水形,在加壓噴水時啟動傳動電機控製噴頭搖擺,達到一種花型變換;第四類水形,需要在直接啟動水泵向管道加壓後,通過控製器快速地控製大量的電磁閥門的開閉,使噴嘴以各種方式進行點射,形成所謂“跑泉”和“跳泉”效果。

2 矩陣式控製原理
實際工程中將上述幾種方式有機地組合起來實現多種水形變幻,再配以音樂和燈光,就可產生豐富多彩的藝術效果。實際上,這一過程從計算機的控製角度來看就是將一組一維的空間變量e=按照△T時間間隔順序輸出的過程。我們可以用一個控製矩陣[Aij]來進行表述。
對控製矩陣處理是整個控製程序的核心。由於硬件驅動板卡為16路輸出,[Aij]的列數為16的整數倍,目前系統主控變量設計列數最大為n=256,行數數量不受限製。所以,控製矩陣最大可做到m256,m可以取任意自然數。矩陣[Aij]中第i行元素對應本噴泉工程設
計中某時段△T裏一個確定的控製輸出點排列。△T的取值範圍是10mS~1S,按lmS間隔可調。矩陣[Aij]的第j列的每個元素對應控製該點部件的一個時間間隔為△T的輸出序列。於是[Aij]的每個元素Aij對應第j個被控部件在第i個時段的輸出狀態,Aij=1為開啟,反之為關閉。如果某行元素全為零,表明此時段整個系統無輸出;某列元素全為零表明該部件在工作期間無輸出(可能是備用通道)。實際控製矩陣中,行數m是樂曲的播放時間和間隔△T取值之比。
控製矩陣可作為數組存放於計算機內存之中。當噴泉工作時,在音樂信號的觸發下,計算機將並行地按著順序逐行取出控製向量,再以△T為時間間隔向接口輸出。
控製矩陣的生成可由人工在屏幕上編輯,也可采用可視化的組態軟件來實現。具體的實現方法這裏不作重點介紹。

3.控製系統的硬件構成
較大的噴泉一般均有上百個控製點,有些廣場噴泉可達到數百甚至上千個被控點,所以需要采用模塊化的分級式控製系統來完成工程的全部控製。圖1給出了一個典型的計算機噴泉控製系統的組成框圖。
為實現上述功能,系統在設計上根據不同負載類型,將大量的被控對象分為4類模塊:
(1)樂曲識別與處理模塊。由模擬采集板和音源處理電路組成;
(2)變頻控製模塊。由D/A輸出板和變頻器組成;
(3)開關量的直控模塊。用於彩燈、水泵和傳動電機等,這是數量最多的模塊;
(4)分級控製的跑泉模塊。由工控機、開關板和跑泉器構成三級控製結構。
系統第一級的上位機是本控製系統的核心。由於現場電磁幹擾很大,使用環境比較惡劣,主機需要采用標準工控機。上位機的任務是實現人機交互界面,存放音樂文件,對音頻信號進行讀入、分析,對下級的輸出模塊進行操作和控製整個系統的啟停等功能。為完成上位機對各類功能部件的控製,機箱內配置了A/D卡、D/A卡和開關量功率輸出板,而且還要保證工控機主板上有足夠的擴展能力。標準板卡配置如下:
(1)A/D卡,用於音樂信號的采集和識別,采用12位精度和100KHz轉換速率可滿足需要。計算機對外輸入音樂信號的讀取隻需要強度信息即可,因此在進行A/D轉換前還要加上有音樂信號的幅度包絡檢波電路;
(2)D/A卡,用來輸出模擬信號控製變頻調速器,12位的分辨率和100KHz的轉換速率,輸出控製信號幅度為0~10V,一般有8~16個通道,為提高抗幹擾能力采用光電隔離輸出;
(3)開關量輸出卡,選用32個通道的光電隔離功率輸出板,驅動能力達24V、50mA,但由於噴泉中的設備均為三相的交流供電,所以後面還要加上一級固態繼電器的驅動板來驅動220V的交流接觸器或電磁閥門。

4 跑泉控製器模塊
由主控機直接控製的部件主要是一些變化複雜的開關量和模擬量。對於如跑泉(又叫跳泉)的閥門和循環彩燈等花色變換比較單一、控製點數很多、但要求響應速度又很快的輸出量,可采用下位機分級控製。即由主機發出控製命令送至下位分機,再由分機根據接收的命令輸出不同的花色信號來驅動閥門和彩燈。
大型音樂噴泉中,水幕跑泉是在近百米的管道上安裝幾十路到上百路的閥控噴嘴,噴泉啟動時近百個閥門以幾十毫秒的間隔循環交替打開,形成一種氣勢磅礴的動感效果。而且要求跑動時間可調,花形變化及時。由此可見跑泉控製器在營造噴泉藝術效果中起到了至關重要的作用。本項目采用專門設計的,多達256個控製量的EELab-Ⅱ型嵌入式跑泉控製器。控製器機箱與工控19英寸標準機櫃配套,水形花色在現場可編程。連同配套的軟件已形成完整的產品。並且經實踐證明運行可靠,而成本卻遠遠低於PLC控製器。跑泉控製器的電路框圖如圖2所示。
跑泉控製器的CPU采用的是單片機,采用電流環光隔控製輸入。系統的上位機通過四條控製線送來16種狀態控製跑泉控製器的工作。設計這種控製方案除結構簡單、響應速度快以外,另一優點是對於其它簡易型噴泉可以直接用撥碼開關來控製,省去成本較高的主控計算機。
跑泉控製器的工作原理與主控機相仿,當單片機接收到某一種控製信號後,按著設定的時間定時產生中斷,然後順序讀取FLASHROM芯片裏的噴泉花形矩陣數據,再通過地址譯碼分別鎖存到輸出口上,由外圍驅動電路板通過固態繼電器來控製跑泉噴頭下方的電磁閥。如果工控機向單片機發送不同的控製信號,就能快速地實現各種花形切換。花形控製信號有4位,共計有16個狀態,除0FH作為停止信號之外,其餘15個狀態分別對應15種花形的矩陣。存儲器采用64KB的FLASHROM芯片,如果控製矩陣最大為256x256點,恰好4KB空間安放一種花形。單片機P1,0~P1.3口用於識別4位控製信號但同時也得到花形矩陣的分區地址代碼。從FLASH相應地址空間調出花形數據,再經過地址分配電路,鎖存到外圍驅動電路板上控製電磁閥的開閉。本控製器還具有跑泉控製情況實時監測功能,除了在前面板用7段數碼管顯示當前花形種類,另有128個與輸出相對應的LED來實時顯示輸出狀態。
本工程項目設計了兩組跑泉,每組跑泉要控製115個電磁閥。為了使控製量每次輸出時間間隔從5mS到0.5S連續可調,這套設備具有兩種改變時間間隔的方法:一是通過FLASHROM寫入不同定時參數,由單片機的定時中斷實現,二是通過設備面板上的電位器手動調節。軟件定時的優點是定時精確,手動調節的優點是可根據現場具體效果直接調整。
本控製器的控製矩陣的輸入具有在線可編程功能。在上位機用VB語言開發了自動生成花形數據的程序,隻要給出跑泉路數和花形特征兩類參數,就能自動生成16進製花形數據文件。然後通過串口向跑泉器主板傳輸已經生成的花形數據和時間間隔數據,使控製器機內的單片機可對FLASH芯片進行在線擦除和重新寫入。

5 音頻信號的采集分析及模擬信號變頻控製
這部分是音樂噴泉的核心技術。控製噴泉的外部音頻信號有多種來源,其中之一是來自音響系統的音源輸出。該信號還要經過變換電路放大、濾波、限幅和檢波,變成與音樂幅度的對數成比例的包絡檢波信號送到采集卡,其幅值為0~10V。
模擬信號調控噴水高度的辦法很多,其中最簡單的是把采集到的音頻信號經平滑後再轉換成控製變頻器的模擬輸入電壓,控製水泵的轉速使水形跟隨音樂節奏的快慢進行變化。由外部音源實現水形跟隨變化的方案如圖3所示。當然要做到水形跟隨音樂旋律變化,並可靠地保證音樂起、水形起和音樂停、水形停絕不簡單,而是要根據對大量樂曲音頻信號的分析統計,給出一個判斷依據和相應的閾值。
隨著近年來計算機的處理速度大幅提高,在音樂音質滿足要求的前提下可以利用機內硬盤的WAVE文件來播放音樂,使計算機根據WAVE文件的數據實時識別音樂並同時控製噴泉運行。
實際上在上述硬件的基礎上,可以通過音頻分析軟件,結合一些特殊的處理方法和算法來產生更適合的控製代碼。本系統上位機軟件中音樂程控部分的流程圖如圖4所示,限於篇幅本文不再專門敘述。

6 結束語
這套計算機控製系統已經成功用於某大學校園廣場的音樂噴泉,某省廣播電視台演播大廳舞台噴泉項目也正在試用。結果表明:該系統的設計結構合理,安全可靠和控製精度等技術性能均能滿足實際要求,而且成本低,使用簡單方便,效果令人十分滿意。

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