基于CYGNAL單片機和FPGA的舞臺吊桿控制器的設(shè)計

　在舞臺機械設(shè)備中，吊桿起著重要的傷腦筋。在大型的影劇院，一場演出往往需要調(diào)動大量的舞臺背景，有時要控制多達64路的吊桿同時動作。操作人員要在現(xiàn)場不斷變換舞臺背景，控制室人員要不斷地和現(xiàn)場人員進行協(xié)調(diào)，這給舞臺控制帶來了很大不便。對吊桿的集中控制、實時響應(yīng)來自多路的請求及吊桿位置的精確定位是設(shè)計中要解決的三個關(guān)鍵問題。目前的舞臺控制系統(tǒng)大都通過采用光電編碼盤產(chǎn)生脈沖信號的方式來獲取吊桿的移動距離，并直接用單片機進行計數(shù)和控制。這種方法在響應(yīng)多路請求時，往往會因為單片機任務(wù)繁重而造成計數(shù)脈沖丟失，引起測量誤差。綜上所述，本文提出了用CYGNAL單片機和FPGA設(shè)計舞臺吊桿控制器的方法。

　　1 舞臺吊桿控制系統(tǒng)的組成及工作原理

　　舞臺吊桿控制系統(tǒng)主要由遠程控制端（PC機）、舞臺吊桿控制器、現(xiàn)場設(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)。遠程控制端作為管理機，負責管理和協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(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)場數(shù)據(jù)；舞臺吊桿控制器作為終端，接收遠程控制端送來的指令，并根據(jù)接收到的控制命令控制現(xiàn)場設(shè)備動作，采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)以UDP格式打包送給遠程控制端，以便 遠程控制端實時進行現(xiàn)場監(jiān)控。同時為使現(xiàn)場能夠觀察到單個設(shè)備的運行情況。還把這些數(shù)據(jù)通過串口送給現(xiàn)場LCD顯示器。

　　2 舞臺吊桿控制器的硬件設(shè)計

　　在整個控制系統(tǒng)中，舞臺吊桿控制器是設(shè)計的關(guān)鍵，它的功能有兩個：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控制器能夠識別的格式。其二，接收FPGA控制器送來的現(xiàn)場信息。

　　2．1 舞臺吊桿控制器的硬件組成及工作原理

　　舞臺吊桿控制器主要由C8051F020單片機、FPGA控制器、LCD顯示器、E2PROM存儲器、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單片機通過RTL8019網(wǎng)卡芯片接收遠程控制端送來的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)場設(shè)備動作，并且把相關(guān)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回給單片機。單片機把這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入E2PROM中作為備份數(shù)據(jù)，同時送給LCD顯示器，并打成UDP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)卡芯片發(fā)送給遠程控制端。下面主要介紹單片機控制系統(tǒng)和FPGA控制器的設(shè)計。

　　2．2 單片機控制系統(tǒng)

　　單片機控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機組成，主要完成數(shù)據(jù)的接收與處理。C8051F020的特點是運算速度快、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吊桿控制器對存儲器容量、多種總線接口、處理速度和浮點運算等方面的要求。

　　C8051F020單片機有UART0和UART1兩個串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺吊桿運行時的位置數(shù)據(jù)送給LCD顯示器。單片機利用它的SMBUS接口連接帶有I2C總線接口的E2PROM（FM24C64鐵片存儲器），把現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入存儲器，以備在掉電后得新上電時能夠讀出吊桿的當前位置，連續(xù)控制吊桿的運動；同時利用它的普通I/O口與網(wǎng)卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　2．3 FPGA控制器的設(shè)計

　　FPGA控制器是利用EDA方法實現(xiàn)的，主要用 于對霍爾傳感器過來的脈沖進行計數(shù)并控制電機。由于吊桿運動過程中產(chǎn)生的脈沖頻率高，F(xiàn)PGA控制器計數(shù)量大，所以本設(shè)計選擇了高容量、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模塊：兩個5-32譯碼器、八路與門模塊、八路16位可逆并行計數(shù)模塊、電機控制模塊，如圖3所示。

　　兩個5-32譯碼器模塊的功能是提供與單片機的接口，實現(xiàn)可編程接口邏輯。八路計數(shù)模塊（COUNTER8_FILE_LAST模塊）包括八個單路計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等，其功能是對霍爾傳感器過來的八路脈沖信號進行可逆計數(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單片機的數(shù)據(jù)長度是8位，而計數(shù)模塊完成的是16位墳數(shù)，所以必須進行數(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軟件中進行設(shè)計綜合的。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 舞臺吊桿控制器的軟件設(shè)計

　　舞臺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)存儲程序等。

　　3．1 通信協(xié)議設(shè)計

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

　　在使用該協(xié)議時，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

　　主程序主要完成單片機和各個功能模塊的初始化、對各個功能模塊的調(diào)用以及對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

　　4．1 電機慣性引起誤差的補償方法

　　在電機拖動系統(tǒng)中，要考慮電機的慣性問題以便及時進行誤差補償。目前系統(tǒng)中，大都利用一次或二次函數(shù)來近似電機的慣性量。而本系統(tǒng)則采用在遠程控制端人工輸入補償系數(shù)Q的方法來實現(xiàn)誤差補償。這里的補償系數(shù)Q的測量可在排演時進行。

　　系統(tǒng)工作時，遠程控制端需設(shè)定路標要運行到的位置，即計數(shù)終值和誤差補償系數(shù)。當接收到補償系數(shù)測量命令時，控制系統(tǒng)將開始測量補償系數(shù)Q。這里假設(shè)輸入終止位置值為S1，實際終止位置值為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)把這個誤差補償系數(shù)Q送回給遠程控制器，并且存入存儲器中。在吊桿實際運動時，控制系統(tǒng)都會對輸入值進行誤差補償，即：實際運行終止值S=輸入值S1-輸入值S1×Q。用此方法得到的電機慣性量非常精確。

　　4．2 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

　　為了保證舞臺吊桿控制器能夠長期可靠地運行，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)模舞臺控制系統(tǒng)使用8044單片機完成數(shù)據(jù)處理及計數(shù)功能，通過BitBusU總線完成通信功能。由于單片機的任務(wù)非常繁重，在實際應(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)計采用了EDA技術(shù)，將舞臺吊桿控制器用CYGNAL單片機和FPGA實現(xiàn)，并且UDP/IP協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的通信，解決了上述問題。舞臺控制系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，該吊桿控制器性能完全達到了要求。