数字化舞台布光灯具控制器的设计

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增大字体作者：佚名来源：本站整理发布时间：2009-01-10 23:59:22

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摘要：介绍了舞台布光系统中的重要部件——数字化灯具控制器的设计思想和实现方案，采用流行的CAN总线实现了分布式控制，利用模糊控制算法实现了灯具各自由度的稳定的位置伺服。

关键词：现场总线 CAN 模糊算法

随着广播电视事业的不断发展，电视节目的制作越来越多样化，对演播厅的功能及技术要求也越来越高。舞台布光系统是演播设备的重要组成部分，它的作用是通过对垂直吊杆、机械化灯具的多动作控制，利用聚光灯、柔光灯等设备进行大面积的灯光投射，制造满足摄像机光度要求的背景光线。

综艺演播厅的规模目前正逐步扩大，从600m2增加到了1000m2、1500m2，直至2000m2。一个1000m2的演播厅需要500～600盏各式灯具。如果采用集中式控制，势必造成控制电脑重负，现场布线混乱，因此新型的布光系统均采用分布式控制，灯光师在控制台前操作，控制台利用现场总线将控制信息下发，提升机控制器和灯具控制器接收指令后自动运行到设定的位置和角度，完成位置伺服。本文主要介绍舞台布光系统中的重要部件--基于现场总线的数字化灯具控制器的设计思想和实现方案。
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1 整体方案

本文介绍的灯具控制器具备5个自由度的控制能力：水平、俯仰、调焦、左扉和右扉(左扉、右扉指灯具前方用于遮挡光路的扉页)，同时具备过流检测、超速检测、传感器失效检测等功能，并且可以与控制台进行双向通讯，接收控制台发来的指令或上报灯具状态。

灯具控制器主要由位置测量、电机驱动、CAN总线通信接口等功能模块组成，整体方案如图1所示。它采用基于8051内核、内置A/D转换电路的80C552作为主CPU。

灯具各自由度输出转轴装有线性型精密电位器进行位置测量(对于调焦测量，使用齿轮齿条机构将直线位移转换为角度位移)。电位器的活动范围为270度，使用10bitA／D转换器，最高理论精度为270度／210=0．263度。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

CPU将实测位置和控制台传来的设定位置进行比较，计算出应如何驱动伺服电机。

电机的控制电路采用PWM方式，每个电机由一个H桥驱动，效率高、发热小、易于调试。由于要控制5个直流减速电机，因此需要5组双相共10路PWM信号，由一片10通道PWM芯片生成。该芯片实际上是由新型的高速AVR单片机AT90s2313构成的虚拟外设，通过软件编程仿真PWM功能。80C552利用串口将各个通道的PWM值发送给AT90s2313，AT90s2313在内存中生成相应的PWM信号序列，定时向外输出，实测PWM重复频率为9．8kHz。程序中设计了特定算法，可以保证功率驱动模块的某个桥臂关断后，对侧桥臂要延时一段时间才会开通，避免由于开关速度的影响导致上下桥臂直通。

由于直流电机的启动电流和换向电流远大于正常工作电流，过高的启动电流除了会造成系统成本增加外，还有可能烧毁换向器；另外，直流电机的电磁力矩与电流成正比，过高的启动力矩也对机械结构的稳定不利。因此，在电路中设计了过流斩波装置来限制启动电流。

使用现场总线进行分布式控制是本系统的主要特色之一，本方案中选用了CAN总线，灯具对外连线除电源线外，只有一根屏蔽式双绞线，布线方便、成本低廉、扩展性强。CAN总线接口电路由通信协议控制芯片SJAi000和总线收发器82C250等组成。

由于每个灯具要有独立的CAN总线地址，且每个电机、减速器、机械安装尺寸均有一定的个体差异，因此不同的灯具上会有不同的控制参数。在设计中，应尽量减少需要调整的参数，对于一定要调整的部分，应将它们存储在EEPROM中，每次开机读取。

EEPROM中的参数关系到灯具控制器能否正常工作，一旦出厂，一股不建议更改。但是为了方便技术人员进行调试，在电路中仍设计了开发人员接口，在现场无需拆下，且无需编程器就可以使用计算机串口读取、修改EEPROM中的内容。

2 CAN总线通信软件的设计

CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线，是最早在我国得到应用的现场总线之一。它实现了ISO／OSI七层模型中的物理层和数据链路层，总线上任何节点均可主动向其它节点发送信息，数据采用短帧结构，最长8个字节，不易受干扰，故障节点可自动脱离总线。

CAN总线通信控制器SJAl000由82C200发展而来，它兼容82C200的电气特性和工作模式，并对功能进行了扩展。它集成子CAN协议的数据链路层的全部功能，可自动完成数据编码、成帧、冲突检测、循环冗余校验、出错重传等工作。总线收发器82C250负责竹l电子和CAN总线差分电平之间的转换。

CAN总线软件包主要包括初始化函数、发送函数和接收中断函数。

初始化函数的主要工作流程见图2。
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SJA1000有两种工作状态：复位状态和正常状态。复位状态在上电后直接进入，也可以通过软件置位进入。SJAl000的所有初始化操作需在复位状态完成。其中，接收滤波码来自EEPROM，每个灯具有不同的接收滤波码；为配合82C250，输出模式寄存器设置成推挽模式，正极性输出。初始化完成后，转入正常状态，填写发送缓冲区，释放接收缓冲区，即可正常发送接收。