基于CYGNAL單片機(jī)和FPGA的舞臺(tái)吊桿控制器的設(shè)計(jì)

　在舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備中，吊桿起著重要的傷腦筋。在大型的影劇院，一場(chǎng)演出往往需要調(diào)動(dòng)大量的舞臺(tái)背景，有時(shí)要控制多達(dá)64路的吊桿同時(shí)動(dòng)作。操作人員要在現(xiàn)場(chǎng)不斷變換舞臺(tái)背景，控制室人員要不斷地和現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，這給舞臺(tái)控制帶來(lái)了很大不便。對(duì)吊桿的集中控制、實(shí)時(shí)響應(yīng)來(lái)自多路的請(qǐng)求及吊桿位置的精確定位是設(shè)計(jì)中要解決的三個(gè)關(guān)鍵問題。目前的舞臺(tái)控制系統(tǒng)大都通過采用光電編碼盤產(chǎn)生脈沖信號(hào)的方式來(lái)獲取吊桿的移動(dòng)距離，并直接用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)和控制。這種方法在響應(yīng)多路請(qǐng)求時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閱纹瑱C(jī)任務(wù)繁重而造成計(jì)數(shù)脈沖丟失，引起測(cè)量誤差。綜上所述，本文提出了用CYGNAL單片機(jī)和FPGA設(shè)計(jì)舞臺(tái)吊桿控制器的方法。

　　1 舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)的組成及工作原理

　　舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制端（PC機(jī)）、舞臺(tái)吊桿控制器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、LCD顯示器等組成，如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程控制端作為管理機(jī)，負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過局域網(wǎng)使用UDP/IP協(xié)議發(fā)送控制指令并采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；舞臺(tái)吊桿控制器作為終端，接收遠(yuǎn)程控制端送來(lái)的指令，并根據(jù)接收到的控制命令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，采集到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)以UDP格式打包送給遠(yuǎn)程控制端，以便 遠(yuǎn)程控制端實(shí)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。同時(shí)為使現(xiàn)場(chǎng)能夠觀察到單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。還把這些數(shù)據(jù)通過串口送給現(xiàn)場(chǎng)LCD顯示器。

　　2 舞臺(tái)吊桿控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　在整個(gè)控制系統(tǒng)中，舞臺(tái)吊桿控制器是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的功能有兩個(gè)：其一，接收與發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)化成FPGA控制器能夠識(shí)別的格式。其二，接收FPGA控制器送來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)信息。

　　2．1 舞臺(tái)吊桿控制器的硬件組成及工作原理

　　舞臺(tái)吊桿控制器主要由C8051F020單片機(jī)、FPGA控制器、LCD顯示器、E2PROM存儲(chǔ)器、RTL8019網(wǎng)卡芯片和JTAG程序下載及調(diào)度接口等組成。其硬件組成框圖如圖2所示。

　　工作原理如下：C8051F020單片機(jī)通過RTL8019網(wǎng)卡芯片接收遠(yuǎn)程控制端送來(lái)的UDP格式的控制命令數(shù)據(jù)包，從該控制命令數(shù)據(jù)包解析出控制指令，傳輸給FPGA控制器。FPGA控制器根據(jù)控制指令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，并且把相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)。單片機(jī)把這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存入E2PROM中作為備份數(shù)據(jù)，同時(shí)送給LCD顯示器，并打成UDP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)卡芯片發(fā)送給遠(yuǎn)程控制端。下面主要介紹單片機(jī)控制系統(tǒng)和FPGA控制器的設(shè)計(jì)。

　　2．2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)組成，主要完成數(shù)據(jù)的接收與處理。C8051F020的特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、集成度高、引腳可配置、工作穩(wěn)定和可靠性高。它完全能夠滿足舞臺(tái)吊桿控制器對(duì)存儲(chǔ)器容量、多種總線接口、處理速度和浮點(diǎn)運(yùn)算等方面的要求。

　　C8051F020單片機(jī)有UART0和UART1兩個(gè)串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺(tái)吊桿運(yùn)行時(shí)的位置數(shù)據(jù)送給LCD顯示器。單片機(jī)利用它的SMBUS接口連接帶有I2C總線接口的E2PROM（FM24C64鐵片存儲(chǔ)器），把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，以備在掉電后得新上電時(shí)能夠讀出吊桿的當(dāng)前位置，連續(xù)控制吊桿的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用它的普通I/O口與網(wǎng)卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　2．3 FPGA控制器的設(shè)計(jì)

　　FPGA控制器是利用EDA方法實(shí)現(xiàn)的，主要用 于對(duì)霍爾傳感器過來(lái)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并控制電機(jī)。由于吊桿運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的脈沖頻率高，F(xiàn)PGA控制器計(jì)數(shù)量大，所以本設(shè)計(jì)選擇了高容量、高性能的可編程邏輯器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。

　　2．3．1 FPGA控制器的模塊劃分

　　根據(jù)系統(tǒng)功能要墳，F(xiàn)PGA控制器的頂層模塊被劃分為以下四個(gè)模塊：兩個(gè)5-32譯碼器、八路與門模塊、八路16位可逆并行計(jì)數(shù)模塊、電機(jī)控制模塊，如圖3所示。

　　兩個(gè)5-32譯碼器模塊的功能是提供與單片機(jī)的接口，實(shí)現(xiàn)可編程接口邏輯。八路計(jì)數(shù)模塊（COUNTER8_FILE_LAST模塊）包括八個(gè)單路計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等，其功能是對(duì)霍爾傳感器過來(lái)的八路脈沖信號(hào)進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)并完成16位數(shù)據(jù)與8位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。由于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是8位，而計(jì)數(shù)模塊完成的是16位墳數(shù)，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)換。

　　2．3．2 FPGA模塊的功能仿真

　　FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片，在MAX+PLUSII軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合的。根據(jù)上述的模塊劃分，在MAX+PLUSII中的仿真波形圖如圖4所示。

　　3 舞臺(tái)吊桿控制器的軟件設(shè)計(jì)

　　舞臺(tái)吊桿控制器的軟件主要包括：主程序、UDP數(shù)據(jù)的傳輸與解析程序、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。

　　3．1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　在舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制端通過局域網(wǎng)采用UDP/IP協(xié)議給舞臺(tái)吊桿控制器發(fā)送命令并接收來(lái)自控制器的數(shù)據(jù)包。UDP/IP數(shù)據(jù)包的格式如下：

　　在使用該協(xié)議時(shí)，命令信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)都在UDP DATA數(shù)據(jù)區(qū)。為了完成控制目的，必須對(duì)這塊數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)制定協(xié)議，協(xié)議格式如表1所示。

　　表1 協(xié)議格式

　　3．2 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序主要完成單片機(jī)和各個(gè)功能模塊的初始化、對(duì)各個(gè)功能模塊的調(diào)用以及對(duì)FPGA控制器的控制。由于篇幅關(guān)系，只給出主程序的流程圖，如圖5所示。

　　4 可靠性設(shè)計(jì)

　　4．1 電機(jī)慣性引起誤差的補(bǔ)償方法

　　在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，要考慮電機(jī)的慣性問題以便及時(shí)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。目前系統(tǒng)中，大都利用一次或二次函數(shù)來(lái)近似電機(jī)的慣性量。而本系統(tǒng)則采用在遠(yuǎn)程控制端人工輸入補(bǔ)償系數(shù)Q的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。這里的補(bǔ)償系數(shù)Q的測(cè)量可在排演時(shí)進(jìn)行。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，遠(yuǎn)程控制端需設(shè)定路標(biāo)要運(yùn)行到的位置，即計(jì)數(shù)終值和誤差補(bǔ)償系數(shù)。當(dāng)接收到補(bǔ)償系數(shù)測(cè)量命令時(shí)，控制系統(tǒng)將開始測(cè)量補(bǔ)償系數(shù)Q。這里假設(shè)輸入終止位置值為S1，實(shí)際終止位置值為S2，那么Q=(S2-S1)/S1×100%（由于慣性的緣大處著眼，S2>S1）。接著控制系統(tǒng)把這個(gè)誤差補(bǔ)償系數(shù)Q送回給遠(yuǎn)程控制器，并且存入存儲(chǔ)器中。在吊桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)都會(huì)對(duì)輸入值進(jìn)行誤差補(bǔ)償，即：實(shí)際運(yùn)行終止值S=輸入值S1-輸入值S1×Q。用此方法得到的電機(jī)慣性量非常精確。

　　4．2 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

　　為了保證舞臺(tái)吊桿控制器能夠長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，系統(tǒng)在硬件和軟件兩方面采取了有效的抗干擾措施。其中硬件方面主要采取了3.3V電源和5V電源隔離（它們與電磁隔離）、“看門狗”等方法。通過電源隔能夠有效地防止電源電平不穩(wěn)和其它電器對(duì)控制器的干擾，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；通過“看門狗”能保證程序的正常運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的可靠性。軟件方面采取了軟件陷阱等方法。

　　行前研制的大規(guī)模舞臺(tái)控制系統(tǒng)使用8044單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理及計(jì)數(shù)功能，通過BitBusU總線完成通信功能。由于單片機(jī)的任務(wù)非常繁重，在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)脈沖丟失以及系統(tǒng)相應(yīng)速度慢的問題。而本設(shè)計(jì)采用了EDA技術(shù)，將舞臺(tái)吊桿控制器用CYGNAL單片機(jī)和FPGA實(shí)現(xiàn)，并且UDP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的通信，解決了上述問題。舞臺(tái)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該吊桿控制器性能完全達(dá)到了要求。