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1、单片机控制的舞台视景的设计摘 要 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子
2、线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 本研究针对舞台视景的控制方法，尤其是舞台灯光的智能控制方面的发展现状，分析了舞台灯光智能控制的原理和实现方法，提出了基于单片机的舞台灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。关键词：单片机；舞台；灯光；吊杆目 录 摘 要I目 录II1绪 论11.1 单片机的基础知识11.2单片机的发展趋势11.2.1 微型单片化11.2.2 低功耗CMOS化21.2.3 主流与多品种共存22. 舞台视景中吊杆的设计32.1舞台吊杆控制系统的组成及工
3、作原理32.2舞台吊杆控制器的硬件设计42.2.1 舞台吊杆控制器的硬件组成及工作原理42.2.2 单片机控制系统52.3舞台吊杆控制器的软件设计62.31 通信协议设计62.4 可靠性设计72.4.1电机惯性引起误差的补偿方法72.4.2 系统的抗干扰设计83. 舞台视景灯光的设计103.1舞台整体视觉103.2舞台灯光用具113.3剧场电路及网络控制系统123.4舞台灯光用具的配置示意133.5舞台空间布光要素143.6演示空间设计构想图153.7舞台灯光的色彩对比163.8灯光设计中的常用公式173.9舞台布光方式184 灯光显示模式设计194.1显示灯的排列：194.2显示模式：194
4、.3 程序流程图204.3.1主程序流程图204.3.2 中断服务程序流程图214.4程序设计215. 灯光闪烁控制装置的调试245.1 系统调试245.1.1 检查硬件连接245.1.2检查软件系统245.2 测试结果24结 论25参考文献26致 谢27附录281绪 论1.1 单片机的基础知识 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。 MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达11
5、1条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。 MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一，是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。1.2单片机的发展趋势 单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，
6、互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1.2.1 微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要
7、求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。1.2.2 低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，
8、更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 1.2.3 主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续
9、，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。 九十年代以后，单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU位数有8位、16位、32位，时钟频率高达20MHZ，片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。这类单片机有NEC公司的MPD7800，MITSUBISHI公司的M337700，REVKWELL公司的R6500。2. 舞台视景中吊杆的设计在舞台机械设备中，吊
10、杆起着重要的伤脑筋。在大型的影剧院，一场演出往往需要调动大量的舞台背景，有时要控制多达64路的吊杆同时动作。操作人员要在现场不断变换舞台背景，控制室人员要不断地和现场人员进行协调，这给舞台控制带来了很大不便。对吊杆的集中控制、实时响应来自多路的请求及吊杆位置的精确定位是设计中要解决的三个关键问题。目前的舞台控制系统大都通过采用光电编码盘产生脉冲信号的方式来获取吊杆的移动距离，并直接用单片机进行计数和控制。这种方法在响应多路请求时，往往会因为单片机任务繁重而造成计数脉冲丢失，引起测量误差。综上所述，本文提出了用CYGNAL单片机和FPGA设计舞台吊杆控制器的方法。2.1舞台吊杆控制系统的组成及工
11、作原理舞台吊杆控制系统主要由远程控制端（PC机）、舞台吊杆控制器、现场设备、LCD显示器等组成，如图1所示。系统采用分布式结构。远程控制端作为管理机，负责管理和协调现场设备，通过局域网使用UDP/IP协议发送控制指令并采集现场数据；舞台吊杆控制器作为终端，接收远程控制端送来的指令，并根据接收到的控制命令控制现场设备动作，采集到现场数据后把数据以UDP格式打包送给远程控制端，以便 远程控制端实时进行现场监控。同时为使现场能够观察到单个设备的运行情况。还把这些数据通过串口送给现场LCD显示器。2.2舞台吊杆控制器的硬件设计在整个控制系统中，舞台吊杆控制器是设计的关键，它的功能有两个：其一，接收与发
12、送UDP数据包，解析数据包并转化成FPGA控制器能够识别的格式。其二，接收FPGA控制器送来的现场信息。2.2.1 舞台吊杆控制器的硬件组成及工作原理舞台吊杆控制器主要由C8051F020单片机、FPGA控制器、LCD显示器、E2PROM存储器、RTL8019网卡芯片和JTAG程序下载及调度接口等组成。其硬件组成框图如图2所示。工作原理如下：C8051F020单片机通过RTL8019网卡芯片接收远程控制端送来的UDP格式的控制命令数据包，从该控制命令数据包解析出控制指令，传输给FPGA控制器。FPGA控制器根据控制指令控制现场设备动作，并且把相关的现场数据返回给单片机。单片机把这些现场数据存入
13、E2PROM中作为备份数据，同时送给LCD显示器，并打成UDP数据包通过网卡芯片发送给远程控制端。下面主要介绍单片机控制系统和FPGA控制器的设计。2.2.2 单片机控制系统单片机控制系统主要由C8051F020单片机组成，主要完成数据的接收与处理。C8051F020的特点是运算速度快、集成度高、引脚可配置、工作稳定和可靠性高。它完全能够满足舞台吊杆控制器对存储器容量、多种总线接口、处理速度和浮点运算等方面的要求。C8051F020单片机有UART0和UART1两个串口，其中，串口UART0与LCD显示器连接，用于把舞台吊杆运行时的位置数据送给LCD显示器。单片机利用它的SMBUS接口连接带有
14、I2C总线接口的E2PROM（FM24C64铁片存储器），把现场数据存入存储器，以备在掉电后得新上电时能够读出吊杆的当前位置，连续控制吊杆的运动；同时利用它的普通I/O口与网卡芯片RTL8019和FPGA控制器相连，实现数据的收发。2.2.3 FPGA控制器的设计FPGA控制器是利用EDA方法实现的，主要用 于对霍尔传感器过来的脉冲进行计数并控制电机。由于吊杆运动过程中产生的脉冲频率高，FPGA控制器计数量大，所以本设计选择了高容量、高性能的可编程逻辑器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。(1) FPGA控制器的模块划分 根据系统功能要坟，FPGA控制器的顶层模块被划分为以下
15、四个模块：两个5-32译码器、八路与门模块、八路16位可逆并行计数模块、电机控制模块，如图3所示。两个5-32译码器模块的功能是提供与单片机的接口，实现可编程接口逻辑。八路计数模块（COUNTER8_FILE_LAST模块）包括八个单路计数模块、数据转换模块等，其功能是对霍尔传感器过来的八路脉冲信号进行可逆计数并完成16位数据与8位数据之间的转换。由于C8051F020单片机的数据长度是8位，而计数模块完成的是16位坟数，所以必须进行数据位数的转换。(2) FPGA模块的功能仿真FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片，在MAX+PLUSII软件中进行设计综合的。根据上述的模块划分，在MAX+PLUSII中的仿真波形图如图4所示。2.3舞台吊杆控制器的软件设计舞台吊杆控制器的软件主要包括：主程序、UDP数据的传输与解析程序、串口数据的发送程序、数据存储程序等。2.31 通信协议设计在舞台吊杆控制系统中，远程控制端通过局域网采用UDP/IP协议给舞台吊杆控
