數字化舞臺布光燈具控制器的設計

摘要：介紹了舞臺布光系統中的重要部件——數字化燈具控制器的設計思想和實(shí)現方案，采用流行的CAN總線(xiàn)實(shí)現了分布式控制，利用模糊控制算法實(shí)現了燈具各自由度的穩定的位置伺服。

隨著(zhù)廣播電視事業(yè)的不斷發(fā)展，電視節目的制作越來(lái)越多樣化，對演播廳的功能及技術(shù)要求也越來(lái)越高。舞臺布光系統是演播設備的重要組成部分，它的作用是通過(guò)對垂直吊桿、機械化燈具的多動(dòng)作控制，利用聚光燈、柔光燈等設備進(jìn)行大面積的燈光投射，制造滿(mǎn)足攝像機光度要求的背景光線(xiàn)。

綜藝演播廳的規模目前正逐步擴大，從600m2增加到了1000m2、1500m2，直至2000m2。一個(gè)1000m2的演播廳需要500～600盞各式燈具。如果采用集中式控制，勢必造成控制電腦重負，現場(chǎng)布線(xiàn)混亂，因此新型的布光系統均采用分布式控制，燈光師在控制臺前操作，控制臺利用現場(chǎng)總線(xiàn)將控制信息下發(fā)，提升機控制器和燈具控制器接收指令后自動(dòng)運行到設定的位置和角度，完成位置伺服。 本文主要介紹舞臺布光系統中的重要部件--基于現場(chǎng)總線(xiàn)的數字化燈具控制器的設計思想和實(shí)現方案。

1 整體方案

本文介紹的燈具控制器具備5個(gè)自由度的控制能力：水平、俯仰、調焦、左扉和右扉(左扉、右扉指燈具前方用于遮擋光路的扉頁(yè))，同時(shí)具備過(guò)流檢測、超速檢測、傳感器失效檢測等功能，并且可以與控制臺進(jìn)行雙向通訊，接收控制臺發(fā)來(lái)的指令或上報燈具狀態(tài)。

燈具控制器主要由位置測量、電機驅動(dòng)、CAN總線(xiàn)通信接口等功能模塊組成，整體方案如圖1所示。它采用基于8051內核、內置A/D轉換電路的80C552作為主CPU。

燈具各自由度輸出轉軸裝有線(xiàn)性型精密電位器進(jìn)行位置測量(對于調焦測量，使用齒輪齒條機構將直線(xiàn)位移轉換為角度位移)。電位器的活動(dòng)范圍為270度，使用10bitA／D轉換器，最高理論精度為270度／210=0．263度。

CPU將實(shí)測位置和控制臺傳來(lái)的設定位置進(jìn)行比較，計算出應如何驅動(dòng)伺服電機。

電機的控制電路采用PWM方式，每個(gè)電機由一個(gè)H橋驅動(dòng)，效率高、發(fā)熱小、易于調試。由于要控制5個(gè)直流減速電機，因此需要5組雙相共10路PWM信號，由一片10通道PWM芯片生成。該芯片實(shí)際上是由新型的高速AVR單片機AT90s2313構成的虛擬外設，通過(guò)軟件編程仿真PWM功能。80C552利用串口將各個(gè)通道的PWM值發(fā)送給AT90s2313，AT90s2313在內存中生成相應的PWM信號序列，定時(shí)向外輸出，實(shí)測PWM重復頻率為9．8kHz。程序中設計了特定算法，可以保證功率驅動(dòng)模塊的某個(gè)橋臂關(guān)斷后，對側橋臂要延時(shí)一段時(shí)間才會(huì )開(kāi)通，避免由于開(kāi)關(guān)速度的影響導致上下橋臂直通。

由于直流電機的啟動(dòng)電流和換向電流遠大于正常工作電流，過(guò)高的啟動(dòng)電流除了會(huì )造成系統成本增加外，還有可能燒毀換向器；另外，直流電機的電磁力矩與電流成正比，過(guò)高的啟動(dòng)力矩也對機械結構的穩定不利。因此，在電路中設計了過(guò)流斬波裝置來(lái)限制啟動(dòng)電流。

使用現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行分布式控制是本系統的主要特色之一，本方案中選用了CAN總線(xiàn)，燈具對外連線(xiàn)除電源線(xiàn)外，只有一根屏蔽式雙絞線(xiàn)，布線(xiàn)方便、成本低廉、擴展性強。CAN總線(xiàn)接口電路由通信協(xié)議控制芯片SJAi000和總線(xiàn)收發(fā)器82C250等組成。

由于每個(gè)燈具要有獨立的CAN總線(xiàn)地址，且每個(gè)電機、減速器、機械安裝尺寸均有一定的個(gè)體差異，因此不同的燈具上會(huì )有不同的控制參數。在設計中，應盡量減少需要調整的參數，對于一定要調整的部分，應將它們存儲在EEPROM中，每次開(kāi)機讀取。

EEPROM中的參數關(guān)系到燈具控制器能否正常工作，一旦出廠(chǎng)，一股不建議更改。但是為了方便技術(shù)人員進(jìn)行調試，在電路中仍設計了開(kāi)發(fā)人員接口，在現場(chǎng)無(wú)需拆下，且無(wú)需編程器就可以使用計算機串口讀取、修改EEPROM中的內容。

2 CAN總線(xiàn)通信軟件的設計

CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)osch公司在20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)，是最早在我國得到應用的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。它實(shí)現了ISO／OSI七層模型中的物理層和數據鏈路層，總線(xiàn)上任何節點(diǎn)均可主動(dòng)向其它節點(diǎn)發(fā)送信息，數據采用短幀結構，最長(cháng)8個(gè)字節，不易受干擾，故障節點(diǎn)可自動(dòng)脫離總線(xiàn)。

CAN總線(xiàn)通信控制器SJAl000由82C200發(fā)展而來(lái)，它兼容82C200的電氣特性和工作模式，并對功能進(jìn)行了擴展。它集成子CAN協(xié)議的數據鏈路層的全部功能，可自動(dòng)完成數據編碼、成幀、沖突檢測、循環(huán)冗余校驗、出錯重傳等工作?？偩€(xiàn)收發(fā)器82C250負責竹l電子和CAN總線(xiàn)差分電平之間的轉換。

CAN總線(xiàn)軟件包主要包括初始化函數、發(fā)送函數和接收中斷函數。

初始化函數的主要工作流程見(jiàn)圖2。

SJA1000有兩種工作狀態(tài)：復位狀態(tài)和正常狀態(tài)。復位狀態(tài)在上電后直接進(jìn)入，也可以通過(guò)軟件置位進(jìn)入。SJAl000的所有初始化操作需在復位狀態(tài)完成。其中，接收濾波碼來(lái)自EEPROM，每個(gè)燈具有不同的接收濾波碼；為配合82C250，輸出模式寄存器設置成推挽模式，正極性輸出。初始化完成后，轉入正常狀態(tài)，填寫(xiě)發(fā)送緩沖區，釋放接收緩沖區，即可正常發(fā)送接收。

發(fā)送函數首先判斷上次發(fā)送是否完成，若完成則在緩沖區內填寫(xiě)新的數據，啟動(dòng)發(fā)送；否則等待直至超時(shí)，發(fā)送完成與否由狀態(tài)寄存器指示。

接收函數采用中斷方式，SJAl000內部包含深度為64字節的接收FIFO緩沖區，芯片無(wú)需CPU的干涉就可以自動(dòng)對收到的信息按先后順序排隊，提供了很強的抗超載能力，因此在主程序中不需要自建接收FIFO，簡(jiǎn)化了編程。中斷服務(wù)函數對接收到的數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的預處理并設置標志位后退出，并在主循環(huán)內完成回送數據幀等后續工作。

控制臺與燈具控制器的應用層協(xié)議如下：命令幀由土控臺發(fā)出，返回幀由燈具控制器回送，長(cháng)度均為五字節(包括目標地址)，其中前兩字節是地址碼，第三個(gè)字節是命令幀的類(lèi)型，如設置位置幀、查詢(xún)錯誤幀等，最后兩字節是參數，如位置設置量等。

3 閉環(huán)位置伺服控制

在開(kāi)發(fā)初期階段，曾經(jīng)使用過(guò)分段PID進(jìn)行閉環(huán)位置伺服控制，通過(guò)一定的調整，可以獲得較好的效果。但是分段PID控制需調整的參數較多，對于不同種類(lèi)和大小的燈具，調整工作量較大，而且Ki、Kd等系數的物理意義難于向普通調試人員解釋?zhuān)首罱K選擇了模糊控制算法。它的適應性好、魯棒性強、調整少，且中速、比較接近等參數極易為人理解，實(shí)測各參數均有較大的適應性，不用過(guò)多調整。

典型的模糊控制器分為三個(gè)部分：輸入變量模糊化、模糊推理和解模糊化。

燈具模糊控制器的輸入量為位置殘差e和轉角速度v，輸出是發(fā)送給電機驅動(dòng)模塊的PWM值。如圖3所示，u表示位置設定值，y表示伺服機構測量值。

所有輸入變量的模糊隸屬度函數都采用角形且全交疊，如圖4所示。

e的模糊集合有五個(gè)：{大的正值，小的正值，零，小的負值，大的負值}，用PB、PS、Z、NS、NB表示。

v的模糊隸屬度函數如圖5所示。v的模糊集合有三個(gè)：{正，零，負}，用P、Z、N表示。

最常用的模糊推理方法有Mamdani型和Sugeno 型，兩者在很多方面是相同的，不同的是Mamdani型的模糊推理后件是模糊量，而Sugeno型的模糊推理后件是線(xiàn)性變量或常量。比如推理規則：If Input1=x and Input2=y,then Output is z=ax+by+c中，Input1和Input2是前件，是模糊變量，z是后件，是確定的值。如果系數a=b=0，則z=c為常量，稱(chēng)為0階Sugeno模型。

每條邏輯規則的輸出z的權重wi由AND算子決定，wi=AndMethod(F1(x),F2(y))，其中F1,2（）是Inputs1和Inputs2的模糊隸屬度函數。

對于結論相同的邏輯規則的輸出，權重wi由OR算子決定，wi=OrMetod（wi1,wi2）。

Sugeno模型的解模糊過(guò)程較簡(jiǎn)單，最終的輸出值是各結論輸出zi的加權平均值：

Output=∑wi zi/∑wi