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數(shù)字化舞臺(tái)布光燈具控制器的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了舞臺(tái)布光系統(tǒng)中的重要部件——數(shù)字化燈具控制器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方案，采用流行的CAN總線實(shí)現(xiàn)了分布式控制，利用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)了燈具各自由度的穩(wěn)定的位置伺服。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN 模糊算法
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(duì)演播廳的功能及技術(shù)要求也越來越高。舞臺(tái)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(duì)垂直吊桿、機(jī)械化燈具的多動(dòng)作控制，利用聚光燈、柔光燈等設(shè)備進(jìn)行大面積的燈光投射，制造滿足攝像機(jī)光度要求的背景光線。
綜藝演播廳的規(guī)模目前正逐步擴(kuò)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(shì)必造成控制電腦重負(fù)，現(xiàn)場(chǎng)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(tái)前操作，控制臺(tái)利用現(xiàn)場(chǎng)總線將控制信息下發(fā)，提升機(jī)控制器和燈具控制器接收指令后自動(dòng)運(yùn)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(tái)布光系統(tǒng)中的重要部件--基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化燈具控制器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)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(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(shí)具備過流檢測(cè)、超速檢測(cè)、傳感器失效檢測(cè)等功能，并且可以與控制臺(tái)進(jìn)行雙向通訊，接收控制臺(tái)發(fā)來的指令或上報(bào)燈具狀態(tài)。
燈具控制器主要由位置測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(jìn)行位置測(cè)量(對(duì)于調(diào)焦測(cè)量，使用齒輪齒條機(jī)構(gòu)將直線位移轉(zhuǎn)換為角度位移)。電位器的活動(dòng)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(shí)測(cè)位置和控制臺(tái)傳來的設(shè)定位置進(jìn)行比較，計(jì)算出應(yīng)如何驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。
電機(jī)的控制電路采用PWM方式，每個(gè)電機(jī)由一個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)，效率高、發(fā)熱小、易于調(diào)試。由于要控制5個(gè)直流減速電機(jī)，因此需要5組雙相共10路PWM信號(hào)，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(jī)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(gè)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(hào)序列，定時(shí)向外輸出，實(shí)測(cè)PWM重復(fù)頻率為9．8kHz。程序中設(shè)計(jì)了特定算法，可以保證功率驅(qū)動(dòng)模塊的某個(gè)橋臂關(guān)斷后，對(duì)側(cè)橋臂要延時(shí)一段時(shí)間才會(huì)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(jī)的啟動(dòng)電流和換向電流遠(yuǎn)大于正常工作電流，過高的啟動(dòng)電流除了會(huì)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(jī)的電磁力矩與電流成正比，過高的啟動(dòng)力矩也對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利。因此，在電路中設(shè)計(jì)了過流斬波裝置來限制啟動(dòng)電流。
使用現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)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(duì)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(kuò)展
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