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摘要：文章結(jié)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(jié)構(gòu)計算機噴泉控制系統(tǒng)的設(shè)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(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)驗基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套適合音樂噴泉特點的計算機控制系統(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)生其它機械動作的電機。除個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時變化。這也是音樂噴泉的控制不同于工業(yè)控制的主要特點。
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，在加壓噴水時啟動傳動電機控制噴頭搖擺，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)行點射，形成所謂“跑泉”和“跳泉”效果。
2 矩陣式控制原理
實際工程中將上述幾種方式有機地組合起來實現(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。實際上，這一過程從計算機的控制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。我們可以用一個控制矩陣[Aij]來進(jìn)行表述。
對控制矩陣處理是整個控制程序的核心。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)
計中某時段△T里一個確定的控制輸出點排列。△T的取值范圍是10mS~1S,按lmS間隔可調(diào)。矩陣[Aij]的第j列的每個元素對應(yīng)控制該點部件的一個時間間隔為△T的輸出序列。于是[Aij]的每個元素Aij對應(yīng)第j個被控部件在第i個時段的輸出狀態(tài)，Aij=1為開啟，反之為關(guān)閉。如果某行元素全為零，表明此時段整個系統(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)。實際控制矩陣中，行數(shù)m是樂曲的播放時間和間隔△T取值之比。
控制矩陣可作為數(shù)組存放于計算機內(nèi)存之中。當(dāng)噴泉工作時，在音樂信號的觸發(fā)下，計算機將并行地按著順序逐行取出控制向量，再以△T為時間間隔向接口輸出。
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)軟件來實現(xiàn)。具體的實現(xiàn)方法這里不作重點介紹。
3.控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
較大的噴泉一般均有上百個控制點，有些廣場噴泉可達(dá)到數(shù)百甚至上千個被控點，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給出了一個典型的計算機噴泉控制系統(tǒng)的組成框圖。
為實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)在設(shè)計上根據(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、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，主機需要采用標(biāo)準(zhǔn)工控機。上位機的任務(wù)是實現(xiàn)人機交互界面，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)行操作和控制整個系統(tǒng)的啟停等功能。為完成上位機對各類功能部件的控制，機箱內(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。計算機對外輸入音樂信號的讀取只需要強度信息即可，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，可采用下位機分級控制。即由主機發(fā)出控制命令送至下位分機，再由分機根據(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，噴泉啟動時近百個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。而且要求跑動時間可調(diào)，花形變化及時。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。本項目采用專門設(shè)計的，多達(dá)256個控制量的EELab-Ⅱ型嵌入式跑泉控制器。控制器機箱與工控19英寸標(biāo)準(zhǔn)機柜配套，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)實踐證明運行可靠，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，采用電流環(huán)光隔控制輸入。系統(tǒng)的上位機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算機。
跑泉控制器的工作原理與主控機相仿，當(dāng)單片機接收到某一種控制信號后，按著設(shè)定的時間定時產(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。如果工控機向單片機發(fā)送不同的控制信號，就能快速地實現(xiàn)各種花形切換。花形控制信號有4位，共計有16個狀態(tài)，除0FH作為停止信號之外，其余15個狀態(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，恰好4KB空間安放一種花形。單片機P1，0~P1．3口用于識別4位控制信號但同時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時監(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個與輸出相對應(yīng)的LED來實時顯示輸出狀態(tài)。
本工程項目設(shè)計了兩組跑泉，每組跑泉要控制115個電磁閥。為了使控制量每次輸出時間間隔從5mS到0．5S連續(xù)可調(diào)，這套設(shè)備具有兩種改變時間間隔的方法：一是通過FLASHROM寫入不同定時參數(shù)，由單片機的定時中斷實現(xiàn)，二是通過設(shè)備面板上的電位器手動調(diào)節(jié)。軟件定時的優(yōu)點是定時精確，手動調(diào)節(jié)的優(yōu)點是可根據(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)和時間間隔數(shù)據(jù)，使控制器機內(nèi)的單片機可對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，給出一個判斷依據(jù)和相應(yīng)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(zhì)滿足要求的前提下可以利用機內(nèi)硬盤的WAVE文件來播放音樂，使計算機根據(jù)WAVE文件的數(shù)據(jù)實時識別音樂并同時控制噴泉運行。
實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
這套計算機控制系統(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目也正在試用。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的設(shè)計結(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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