數(shù)字化舞臺布光燈具控制器的設(shè)計

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

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

綜藝演播廳的規(guī)模目前正逐步擴大，從600m2增加到了1000m2、1500m2，直至2000m2。一個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(xiàn)場布線混亂，因此新型的布光系統(tǒng)均采用分布式控制，燈光師在控制臺前操作，控制臺利用現(xiàn)場總線將控制信息下發(fā)，提升機控制器和燈具控制器接收指令后自動運行到設(shè)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(tǒng)中的重要部件--基于現(xiàn)場總線的數(shù)字化燈具控制器的設(shè)計思想和實現(xiàn)方案。

1 整體方案

本文介紹的燈具控制器具備5個自由度的控制能力：水平、俯仰、調(diào)焦、左扉和右扉(左扉、右扉指燈具前方用于遮擋光路的扉頁)，同時具備過流檢測、超速檢測、傳感器失效檢測等功能，并且可以與控制臺進行雙向通訊，接收控制臺發(fā)來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(qū)動、CAN總線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(nèi)核、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路的80C552作為主CPU。

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

CPU將實測位置和控制臺傳來的設(shè)定位置進行比較，計算出應(yīng)如何驅(qū)動伺服電機。

電機的控制電路采用PWM方式，每個電機由一個H橋驅(qū)動，效率高、發(fā)熱小、易于調(diào)試。由于要控制5個直流減速電機，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。該芯片實際上是由新型的高速AVR單片機AT90s2313構(gòu)成的虛擬外設(shè)，通過軟件編程仿真PWM功能。80C552利用串口將各個通道的PWM值發(fā)送給AT90s2313，AT90s2313在內(nèi)存中生成相應(yīng)的PWM信號序列，定時向外輸出，實測PWM重復(fù)頻率為9．8kHz。程序中設(shè)計了特定算法，可以保證功率驅(qū)動模塊的某個橋臂關(guān)斷后，對側(cè)橋臂要延時一段時間才會開通，避免由于開關(guān)速度的影響導(dǎo)致上下橋臂直通。

由于直流電機的啟動電流和換向電流遠大于正常工作電流，過高的啟動電流除了會造成系統(tǒng)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，過高的啟動力矩也對機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利。因此，在電路中設(shè)計了過流斬波裝置來限制啟動電流。

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

由于每個燈具要有獨立的CAN總線地址，且每個電機、減速器、機械安裝尺寸均有一定的個體差異，因此不同的燈具上會有不同的控制參數(shù)。在設(shè)計中，應(yīng)盡量減少需要調(diào)整的參數(shù)，對于一定要調(diào)整的部分，應(yīng)將它們存儲在EEPROM中，每次開機讀取。

EEPROM中的參數(shù)關(guān)系到燈具控制器能否正常工作，一旦出廠，一股不建議更改。但是為了方便技術(shù)人員進行調(diào)試，在電路中仍設(shè)計了開發(fā)人員接口，在現(xiàn)場無需拆下，且無需編程器就可以使用計算機串口讀取、修改EEPROM中的內(nèi)容。

2 CAN總線通信軟件的設(shè)計

CAN總線是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，是最早在我國得到應(yīng)用的現(xiàn)場總線之一。它實現(xiàn)了ISO／OSI七層模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，總線上任何節(jié)點均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，最長8個字節(jié)，不易受干擾，故障節(jié)點可自動脫離總線。

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

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

初始化函數(shù)的主要工作流程見圖2。

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

發(fā)送函數(shù)首先判斷上次發(fā)送是否完成，若完成則在緩沖區(qū)內(nèi)填寫新的數(shù)據(jù)，啟動發(fā)送；否則等待直至超時，發(fā)送完成與否由狀態(tài)寄存器指示。

接收函數(shù)采用中斷方式，SJAl000內(nèi)部包含深度為64字節(jié)的接收FIFO緩沖區(qū)，芯片無需CPU的干涉就可以自動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，簡化了編程。中斷服務(wù)函數(shù)對接收到的數(shù)據(jù)進行簡單的預(yù)處理并設(shè)置標志位后退出，并在主循環(huán)內(nèi)完成回送數(shù)據(jù)幀等后續(xù)工作。

控制臺與燈具控制器的應(yīng)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，長度均為五字節(jié)(包括目標地址)，其中前兩字節(jié)是地址碼，第三個字節(jié)是命令幀的類型，如設(shè)置位置幀、查詢錯誤幀等，最后兩字節(jié)是參數(shù)，如位置設(shè)置量等。

3 閉環(huán)位置伺服控制

在開發(fā)初期階段，曾經(jīng)使用過分段PID進行閉環(huán)位置伺服控制，通過一定的調(diào)整，可以獲得較好的效果。但是分段PID控制需調(diào)整的參數(shù)較多，對于不同種類和大小的燈具，調(diào)整工作量較大，而且Ki、Kd等系數(shù)的物理意義難于向普通調(diào)試人員解釋，故最終選擇了模糊控制算法。它的適應(yīng)性好、魯棒性強、調(diào)整少，且"中速"、"比較接近"等參數(shù)極易為人理解，實測各參數(shù)均有較大的適應(yīng)性，不用過多調(diào)整。

典型的模糊控制器分為三個部分：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(zhuǎn)角速度v，輸出是發(fā)送給電機驅(qū)動模塊的PWM值。如圖3所示，u表示位置設(shè)定值，y表示伺服機構(gòu)測量值。

    所有輸入變量的模糊隸屬度函數(shù)都采用角形且全交疊，如圖4所示。

e的模糊集合有五個：{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(shù)如圖5所示。v的模糊集合有三個：{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性變量或常量。比如推理規(guī)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(shù)a=b=0，則z=c為常量，稱為0階Sugeno模型。

每條邏輯規(guī)則的輸出z的權(quán)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(shù)。

對于結(jié)論相同的邏輯規(guī)則的輸出，權(quán)重wi由OR算子決定，wi=OrMetod（wi1,wi2）。

Sugeno模型的解模糊過程較簡單，最終的輸出值是各結(jié)論輸出zi的加權(quán)平均值：

Output=∑wi zi/∑wi

由于不需要像Mamdani型那樣計算面積重心，Sugeno型的解模糊算法相對簡單，運算量較小。

Mamdani型和Sugeno型有各自的優(yōu)勢，Mamdani型的優(yōu)點為：

· 直觀、符合人的習(xí)慣

· 廣泛被接受

Sugeno型的優(yōu)點為：

· 很高的運算效率

· 可以協(xié)同線性控制理論(如PID)

· 可以使用優(yōu)化和自適應(yīng)技術(shù)

· 可以保證輸出平面的連續(xù)性

· 可以進行數(shù)學(xué)分析

    對于本項目，通過在PC機中進行的仿真和實際測試表明，二者的輸出平面和控制效果相近。而Sugeno型運算量少，更適合在單片機中使用。

模糊控制器的輸出為PWM值，采用0階Sugeno模型推理，有五個輸出值：{反向高速，反向中速，停，正向中速，正向高速}，由NRun、NWalk、Prone、PWalk、PRun表示，模糊邏輯推理規(guī)則見表1。 

表1 模糊邏輯揄規(guī)則

對于不同的燈具和自由度，NWalk和PWalk的數(shù)值是可調(diào)參數(shù)，從EEPROM中讀取，因此不能使用查表方式編程，而要進行實時運算。為提高速度，在程序中所有的四則運算都是字節(jié)型和整型，避免使用浮點量，標準8051內(nèi)核可以用一個指令完成，最長為4個機器周期。模糊隸屬度值用0～255表示，而不是0～1，在運算最后一步再作歸一化處理。

由于在模糊控制器中缺乏積分環(huán)節(jié)，使得其無法對較小的殘差作出合理的反應(yīng)。例如由于電機、機構(gòu)的靜摩擦力的存在，當殘差較小時，電機無法啟動。因此在控制器的輸出端疊加一個非線性的積分環(huán)節(jié)，只在殘差e較小、速度v為0的時候起作用，可以再處理這種情況。

圖6是燈具伺服特性的實測曲線(俯仰自由度曲線)虛線表示設(shè)定值，實線是實際位置測量值。