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    摘要：文章結(jié)合大型音樂噴泉的工程實(shí)例，介紹了一種功能強(qiáng)、成本低的分級式結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)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(jié)合在一起，給人以賞心悅目的感覺。隨著社會經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展、文化藝術(shù)生活品位的提高，人們對噴泉的技術(shù)含量和藝術(shù)效果也提出了更高的要求。如今，設(shè)置在城市廣場等規(guī)模較大的噴泉，已不再是采用幾個(gè)按鈕或一些邏輯開關(guān)的簡單控制就能滿足觀眾日益提高的欣賞水平要求。為此，在工業(yè)自動化系統(tǒng)的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套適合音樂噴泉特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

    1 音樂噴泉控制概述

    音樂噴泉工程中安裝有大量的電磁閥門、彩燈、水泵和產(chǎn)生其它機(jī)械動作的電機(jī)。除個(gè)別變頻水泵需要用模擬信號來連續(xù)調(diào)節(jié)水柱高度、實(shí)現(xiàn)特定的藝術(shù)效果之外，其它部件基本是通過開關(guān)量進(jìn)行控制。這些開關(guān)信號驅(qū)動閥門、彩燈、水泵隨著音樂進(jìn)行不同的組合，從而產(chǎn)生各種水形和燈光變換效果。為了達(dá)到聽覺、視覺的和諧統(tǒng)一，控制系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)音樂的節(jié)奏、旋律和感情色彩輸出，產(chǎn)生各種不同的狀態(tài)組合來配合水形和燈光實(shí)時(shí)變化。這也是音樂噴泉的控制不同于工業(yè)控制的主要特點(diǎn)。

    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制方法。從噴泉的控制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(shí)有一過渡的升降過程；第二類水形，需要通過變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)一種水柱連續(xù)升降的效果；第三類水形，在加壓噴水時(shí)啟動傳動電機(jī)控制噴頭搖擺，達(dá)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后，通過控制器快速地控制大量的電磁閥門的開閉，使噴嘴以各種方式進(jìn)行點(diǎn)射，形成所謂“跑泉”和“跳泉”效果。

    2 矩陣式控制原理

    實(shí)際工程中將上述幾種方式有機(jī)地組合起來實(shí)現(xiàn)多種水形變幻，再配以音樂和燈光，就可產(chǎn)生豐富多彩的藝術(shù)效果。實(shí)際上，這一過程從計(jì)算機(jī)的控制角度來看就是將一組一維的空間變量e=按照△T時(shí)間間隔順序輸出的過程。我們可以用一個(gè)控制矩陣[Aij]來進(jìn)行表述。

    對控制矩陣處理是整個(gè)控制程序的核心。由于硬件驅(qū)動板卡為16路輸出，[Aij]的列數(shù)為16的整數(shù)倍，目前系統(tǒng)主控變量設(shè)計(jì)列數(shù)最大為n=256，行數(shù)數(shù)量不受限制。所以，控制矩陣最大可做到m256，m可以取任意自然數(shù)。矩陣[Aij]中第i行元素對應(yīng)本噴泉工程設(shè)

    計(jì)中某時(shí)段△T里一個(gè)確定的控制輸出點(diǎn)排列。△T的取值范圍是10mS~1S,按lmS間隔可調(diào)。矩陣[Aij]的第j列的每個(gè)元素對應(yīng)控制該點(diǎn)部件的一個(gè)時(shí)間間隔為△T的輸出序列。于是[Aij]的每個(gè)元素Aij對應(yīng)第j個(gè)被控部件在第i個(gè)時(shí)段的輸出狀態(tài)，Aij=1為開啟，反之為關(guān)閉。如果某行元素全為零，表明此時(shí)段整個(gè)系統(tǒng)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(shí)際控制矩陣中，行數(shù)m是樂曲的播放時(shí)間和間隔△T取值之比。

    控制矩陣可作為數(shù)組存放于計(jì)算機(jī)內(nèi)存之中。當(dāng)噴泉工作時(shí)，在音樂信號的觸發(fā)下，計(jì)算機(jī)將并行地按著順序逐行取出控制向量，再以△T為時(shí)間間隔向接口輸出。

    控制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(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)。具體的實(shí)現(xiàn)方法這里不作重點(diǎn)介紹。

    3.控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

    較大的噴泉一般均有上百個(gè)控制點(diǎn)，有些廣場噴泉可達(dá)到數(shù)百甚至上千個(gè)被控點(diǎn)，所以需要采用模塊化的分級式控制系統(tǒng)來完成工程的全部控制。圖1給出了一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)噴泉控制系統(tǒng)的組成框圖。

    為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上根據(jù)不同負(fù)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)變頻控制模塊。由D／A輸出板和變頻器組成；

    (3)開關(guān)量的直控模塊。用于彩燈、水泵和傳動電機(jī)等，這是數(shù)量最多的模塊；

    (4)分級控制的跑泉模塊。由工控機(jī)、開關(guān)板和跑泉器構(gòu)成三級控制結(jié)構(gòu)。

    系統(tǒng)第一級的上位機(jī)是本控制系統(tǒng)的核心。由于現(xiàn)場電磁干擾很大，使用環(huán)境比較惡劣，主機(jī)需要采用標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)。上位機(jī)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，存放音樂文件，對音頻信號進(jìn)行讀入、分析，對下級的輸出模塊進(jìn)行操作和控制整個(gè)系統(tǒng)的啟停等功能。為完成上位機(jī)對各類功能部件的控制，機(jī)箱內(nèi)配置了A／D卡、D／A卡和開關(guān)量功率輸出板，而且還要保證工控機(jī)主板上有足夠的擴(kuò)展能力。標(biāo)準(zhǔn)板卡配置如下：

    (1)A／D卡，用于音樂信號的采集和識別，采用12位精度和100KHz轉(zhuǎn)換速率可滿足需要。計(jì)算機(jī)對外輸入音樂信號的讀取只需要強(qiáng)度信息即可，因此在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換前還要加上有音樂信號的幅度包絡(luò)檢波電路；

    (2)D／A卡，用來輸出模擬信號控制變頻調(diào)速器，12位的分辨率和100KHz的轉(zhuǎn)換速率，輸出控制信號幅度為0~10V，一般有8~16個(gè)通道，為提高抗干擾能力采用光電隔離輸出；

    (3)開關(guān)量輸出卡，選用32個(gè)通道的光電隔離功率輸出板，驅(qū)動能力達(dá)24V、50mA，但由于噴泉中的設(shè)備均為三相的交流供電，所以后面還要加上一級固態(tài)繼電器的驅(qū)動板來驅(qū)動220V的交流接觸器或電磁閥門。

    4 跑泉控制器模塊

    由主控機(jī)直接控制的部件主要是一些變化復(fù)雜的開關(guān)量和模擬量。對于如跑泉(又叫跳泉)的閥門和循環(huán)彩燈等花色變換比較單一、控制點(diǎn)數(shù)很多、但要求響應(yīng)速度又很快的輸出量，可采用下位機(jī)分級控制。即由主機(jī)發(fā)出控制命令送至下位分機(jī)，再由分機(jī)根據(jù)接收的命令輸出不同的花色信號來驅(qū)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(shí)近百個(gè)閥門以幾十毫秒的間隔循環(huán)交替打開，形成一種氣勢磅礴的動感效果。而且要求跑動時(shí)間可調(diào)，花形變化及時(shí)。由此可見跑泉控制器在營造噴泉藝術(shù)效果中起到了至關(guān)重要的作用。本項(xiàng)目采用專門設(shè)計(jì)的，多達(dá)256個(gè)控制量的EELab-Ⅱ型嵌入式跑泉控制器。控制器機(jī)箱與工控19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜配套，水形花色在現(xiàn)場可編程。連同配套的軟件已形成完整的產(chǎn)品。并且經(jīng)實(shí)踐證明運(yùn)行可靠，而成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PLC控制器。跑泉控制器的電路框圖如圖2所示。

    跑泉控制器的CPU采用的是單片機(jī)，采用電流環(huán)光隔控制輸入。系統(tǒng)的上位機(jī)通過四條控制線送來16種狀態(tài)控制跑泉控制器的工作。設(shè)計(jì)這種控制方案除結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快以外，另一優(yōu)點(diǎn)是  對于其它簡易型噴泉可以直接用撥碼開關(guān)來控制，省去成本較高的主控計(jì)算機(jī)。

    跑泉控制器的工作原理與主控機(jī)相仿，當(dāng)單片機(jī)接收到某一種控制信號后，按著設(shè)定的時(shí)間定時(shí)產(chǎn)生中斷，然后順序讀取FLASHROM芯片里的噴泉花形矩陣數(shù)據(jù)，再通過地址譯碼分別鎖存到輸出口上，由外圍驅(qū)動電路板通過固態(tài)繼電器來控制跑泉噴頭下方的電磁閥。如果工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送不同的控制信號，就能快速地實(shí)現(xiàn)各種花形切換。花形控制信號有4位，共計(jì)有16個(gè)狀態(tài)，除0FH作為停止信號之外，其余15個(gè)狀態(tài)分別對應(yīng)15種花形的矩陣。存儲器采用64KB的FLASHROM芯片，如果控制矩陣最大為256x256點(diǎn)，恰好4KB空間安放一種花形。單片機(jī)P1，0~P1．3口用于識別4位控制信號但同時(shí)也得到花形矩陣的分區(qū)地址代碼。從FLASH相應(yīng)地址空間調(diào)出花形數(shù)據(jù)，再經(jīng)過地址分配電路，鎖存到外圍驅(qū)動電路板上控制電磁閥的開閉。本控制器還具有跑泉控制情況實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，除了在前面板用7段數(shù)碼管顯示當(dāng)前花形種類，另有128個(gè)與輸出相對應(yīng)的LED來實(shí)時(shí)顯示輸出狀態(tài)。

    本工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)了兩組跑泉，每組跑泉要控制115個(gè)電磁閥。為了使控制量每次輸出時(shí)間間隔從5mS到0．5S連續(xù)可調(diào)，這套設(shè)備具有兩種改變時(shí)間間隔的方法：一是通過FLASHROM寫入不同定時(shí)參數(shù)，由單片機(jī)的定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)，二是通過設(shè)備面板上的電位器手動調(diào)節(jié)。軟件定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)精確，手動調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)現(xiàn)場具體效果直接調(diào)整。

    本控制器的控制矩陣的輸入具有在線可編程功能。在上位機(jī)用VB語言開發(fā)了自動生成花形數(shù)據(jù)的程序，只要給出跑泉路數(shù)和花形特征兩類參數(shù)，就能自動生成16進(jìn)制花形數(shù)據(jù)文件。然后通過串口向跑泉器主板傳輸已經(jīng)生成的花形數(shù)據(jù)和時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，使控制器機(jī)內(nèi)的單片機(jī)可對FLASH芯片進(jìn)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制

    這部分是音樂噴泉的核心技術(shù)。控制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(tǒng)的音源輸出。該信號還要經(jīng)過變換電路放大、濾波、限幅和檢波，變成與音樂幅度的對數(shù)成比例的包絡(luò)檢波信號送到采集卡，其幅值為0~10V。

    模擬信號調(diào)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(jīng)平滑后再轉(zhuǎn)換成控制變頻器的模擬輸入電壓，控制水泵的轉(zhuǎn)速使水形跟隨音樂節(jié)奏的快慢進(jìn)行變化。由外部音源實(shí)現(xiàn)水形跟隨變化的方案如圖3所示。當(dāng)然要做到水形跟隨音樂旋律變化，并可靠地保證音樂起、水形起和音樂停、水形停絕不簡單，而是要根據(jù)對大量樂曲音頻信號的分析統(tǒng)計(jì)，給出一個(gè)判斷依據(jù)和相應(yīng)的閾值。

    隨著近年來計(jì)算機(jī)的處理速度大幅提高，在音樂音質(zhì)滿足要求的前提下可以利用機(jī)內(nèi)硬盤的WAVE文件來播放音樂，使計(jì)算機(jī)根據(jù)WAVE文件的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)識別音樂并同時(shí)控制噴泉運(yùn)行。

    實(shí)際上在上述硬件的基礎(chǔ)上，可以通過音頻分析軟件，結(jié)合一些特殊的處理方法和算法來產(chǎn)生更適合的控制代碼。本系統(tǒng)上位機(jī)軟件中音樂程控部分的流程圖如圖4所示，限于篇幅本文不再專門敘述。

    6 結(jié)束語

    這套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功用于某大學(xué)校園廣場的音樂噴泉，某省廣播電視臺演播大廳舞臺噴泉項(xiàng)目也正在試用。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，安全可靠和控制精度等技術(shù)性能均能滿足實(shí)際要求，而且成本低，使用簡單方便，效果令人十分滿意。