（信号与信息处理专业论文）舞台设备的控制及数据处理系统.pdf

摘要 随着生活水平的提高，观众对文化艺术的要求随之增长，这对舞台电子技 术的发展提出了更高的要求。面对2 1 世纪之交，人们越来越清醒地认识到： 科学技术作为第一生产力在文化艺术事业中将发挥不可替代的重要作用。文化 科技是文化艺术的重要载体，要促进艺术舞台的活跃繁荣，就需要不断吸收应 用高新技术，在舞台上展现出新的天地，以满足当代观众的需求。新型的计算 机舞台控制系统不但要标新立异，实现更多的功能，其可靠性和易操作性也必 须达到新的高度。 国外的计算机舞台控制系统性能优越，但价格昂贵，且操作界面不是中文 界面，本课题正是顺应目前国内舞台技术行业快速发展的要求而提出的，旨在 开发能满足现代舞台发展需要的能形成规模的成熟产品。上 本系统采用分布式计算机控制系统，由一台p c 机和多台单片机构成主从 式总线型结构。单片机完成数据采集和接收p c 机下传命令，并直接控制舞台 设备的运行，p c 机将下位机传过来的数据进行处理同时传送各种控制命令给 单片机，以实现集中管理和最优控制。 论文分为五部分。论文首先介绍了微型计算机控制系统的一些基本概念： 其次介绍了系统的整体构思和功能，再其次详细说明整套系统的硬件组成；然 后重点讲述应用软件各功能模块的编程思路和实现；最后介绍系统的调试与运 行情况。 关键字：吊杆分布式控制系统、v c 微控制器 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i f e ，t h ea u d i e n c e sr e q u i r et oc i v i l i z a t i o n a n da r ti ss i m u l t a n e o u s l yi n c r e a s e d ，w h i c hb r i n g sf o r w a r de v e nm o r er e q u e s t st ot h e d e v e l o p m e n to f t h es t a g ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i nt h e21 t hc e n t u r y , t h ep e o p l ea r e r e a l i z i n gt h a tt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya st h ef i r s tc a u s ef o rp r o d u c t i v i t yw i l ld o t h eu n p a r a l l e l e de f f e c tt ot h ec i v i l i z a t i o na n da r t t h ec i v i l i z a t i o na n da r ti sb a s e do n t h es c i e n c e ，s ow es h o u l d c o n t i n u o u s l yd r a w o nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yt ob o o s tt h e t h ed e v e l o p m e n to ft h es t a g ea r ta n dm e e tt h ea u d i e n c e sr e q u e s t st os t a g ea r t t h e n e w s t y l es t a g e c o n t r o l s y s t e m i sn e e d e dt ob en o t o n l yn o v e lb u t a l s om o r e d e p e n d a b l ea n dh a n d i l yo p e r a t i o n a l t h ef o r e i g ns t a g ec o n t r o ls y s t e mh a st h ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c e b u th i g h p r i c ea n d e n g l i s ho p e r a t i n gi n t e r f a c e w i t ht h en e e df r o mt h ef a s td e v e l o p m e n to f t h en a t i v e s t a g et e c h n o l o g yt h i sp r o j e c t i s b r o u g h tf o r w a r dt o a c h i e v et h ei n t e g r a t ep r o d u c t w h i c hc a nm e e tt h en e e do f t h em o d e m s t a g e a r t 1 1 1 i ss y s t e mu s e st h ed i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n di sm a d eo fap c a n ds e v e r a ls c m s w h i c hs h o wap r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t es t r u c t u r e 、i t l lb u ss t y l e t h es c mf i n i s h e st h ed a t ac o l l e c t i o na n dr e c e i v e st h eo 柑e rf r o mt h ep ca n dc o n t r o l s t a g ef u r n i t u r ed i r e c t l y t h ep cp r o c e s s e st h ed a t af r o m t h es c ma n ds e n d so r d e r st o t h es c ma tt h es a m et i m et oc o m p l e t et h ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ta n dm o s te x c e l l e n t c o n t r 0 】 t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r y o fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , t h ep a p e rs h o w st h es t r u c t u r ea n dt h e f u n c t i o no ft h i ss y s t e m t h i r d l y , t h ep a p e ra m p l yi l l u m i n a t e st h es t r u c t u r eo f s y s t e m h a r d w a r e f o u r t h l y ，t h ew a yo fp r o g r a m m i n gt oe v e r yp a r to fs o f t w a r ei sd e t a i l e d l y d i s c u s s e d a tl a s t ，t h ed e b u g g i n ga n d w o r k i n go f t h i ss y s t e m i sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：s u s p e n d e r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m v i s u a lc + + m i c r o p r o g r a m m e dc o n t r o lu n i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谓 的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盎盏益日期：砌，年) 月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：旌盔篷导师签名：5 逸 日期：砌j 年 月f e t 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 舞台技术行业发展动态 生活水平的提高，使得观众对文化艺术的要求随之增长，这对舞台电子技 术的发展提出了更高的要求。不但剧本内容要有创新，随着新技术、新材料、 新概念的出现，舞台美术也要追求不断创出新意，经常能看到精心设计的新形 式、新形象。文化科技是文化艺术的重要载体，要促进艺术舞台的活跃繁荣， 就需要灯光、音响、舞台机械等舞美技术手段的配合，就需要不断吸收应用高 新技术，在舞台上展现出新的天地。现代化的剧场建设，不仅需要先进的技术， 而且必须是能形成规模的成熟产品。 目前发达国家舞台技术产业发展得很快。西方的经典剧目，虽剧本内容基 本不变，但随着新技术、新材料、新概念的出现，舞台美术总是追求不断创出 新意，经常能看到精心设计的新形式、新形象，因而能常演常新。美国剧场的 灯光目前一般已达2 5 0 0 回路，除了传统舞台灯具，还普遍使用宝利来灯和意 大利电脑灯，由计算机控制亮度、色彩变化和光束运动。发达的欧洲舞台机械 也很复杂，台上有：吊杆、吊点、灯光渡桥、灯光吊笼、防火幕，台下有：升 降台、车台、转台、升降乐池，升降台、转台有多种形式，有的升降台中套转 台，有的转台中合有升降台，还有声反射板、升缩台、假台口等等，有的还有 控制大型道具运动的机械、控制观众厅座椅运动和控制墙体运动的机械，最先 进的机械都计算机控制。 我国舞台技术产业起步较晚，大体是7 0 年代以前为起步阶段，8 0 年代开 始发展，9 0 年代前期，以歌舞厅的蓬勃发展为标志，出现了第一个快速发展期， 目前由于新建改建一批现代化剧场已列入计划，加上由民俗文化村，世界之窗 开创的含演出舞台的游乐性主题公园的建设方兴未艾，和电视系统、礼堂、会 堂、歌舞厅等对舞台技术的需求不断升级，正迎来第二个快速发展期。计算机 控制的融入更使得舞台技术的发展迎来了前所未有的机遇。 本课题正是顺应目前国内舞台技术行业快速发展的要求而提出的，旨在开 发能满足现代舞台发展需要的能形成规模的成熟产品。国外这方面的控制系统 虽然先进，但价格昂贵，国内目前舞台设备控制只能对全剧的某一场景的多路 吊杆进行设定操作。针对国内外舞台技术发展现状，我们和甘肃工业大学合作 开发了这套舞台吊杆多媒体微机控制系统。本系统将计算机技术和多媒体技术 融为一体，能存储并处理全剧所有场次的数据，并具有良好的抗干扰性能。 电子科技大学硕士论文 1 2 计算机控制系统概述 自动控制对于工业生产和科学技术的发展具有越来越重要的作用，它为改 善劳动条件和提高经济效益创造了条件。但随着生产技术的进步和科学技术的 发展，要求有更加复杂、更加完善的控制装置，以期达到更高的精度、更快的 速度和更大的效益。电子计算机的出现并应用于自动控制，才使得自动控制发 生了巨大的飞跃。计算机具有精度高、速度快、存储量大，以及具有逻辑判断 的功能等，因此可以实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效果。 经典和现代控制理论和计算机结合，出现了新型的计算机控制系统。舞台 控制系统的自动化、智能化也随着计算机业的发展得以实现。下面简要介绍计 算机控制的相关概念。 1 2 1 计算机控制的一般概念 自动控制是“在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象自动地 按预定规律运动的一种控制”。由被控对象及控制装置构成的能自动按预定要 求运行的整体，称之为自动控制系统。 自动控制通常可分为闭环与开环两种控制方式。闭环控制系统是按“负反馈 控制原理”工作的，负反馈控制原理就是“检测偏差，用以纠正偏差”的原理。 为了检测偏差( e ) ，就需要测量输出量( y ) 并反向送回输入端与输入信号( w ) 相减，从而构成信号的闭环负反馈流动。闭环控制系统的框图如图i - i 所示。 如果把图i - i 和图卜2 中的控制器用计算机来替代，这样就构成计算机控制 系统。计算机控制系统和刊敝自动控制系统一样，也有开环和闭环两种。 图i - 1 闭环控制系统框图 若系统的输出量对系统的控制作用( 系统的输入信号) 不产生影响，这种系 统称为开环控制系统。 2 电子科拉大学硕士论文 计算机控制系统，从本质上来看，它的控制过程可以归结为以下三个步骤 竺全! 兰! ：i 卜矿- 网- 厂阈竺竺竺兰-一控制器i 一执行机构i 一被控对象卜 图卜2 开环控制系统框图 l 、实时数据采集：对被控参数的瞬时值进行检测并输入。 2 、实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规 律进行进一步的控制过程。 3 、实时控制：根据决策，适时的对控制机构发出控制信号。 1 2 2 计算机控制系统的基本组成部分 计算机控制系统主要由以下几部分组成： 1 、控制对象：控制对象是指所要控制的装置或设备，在舞台控制中控制的 对象为吊杆和其他的升降设备如旋转台等。舞台场景的变换主要是通过两种方 式来实现的，即吊杆和转台。台上的变化包括幕布的升级和灯光的变换一般通 过吊杆来实现，台下则有升降台、车台、转台、升降乐池等升降台、转台有多 种形式，有的升降台中套转台，有的转台中合有升降台，还有声反射板、升缩 台、假台口等等。本套系统中的控制对象为舞台吊杆。 2 、数字计算机：计算机控制系统中的数字计算机和外围设备一起，除了实 现数字调节器的功能外，还具有显示、打印、报警、制表等功能。它包括硬件 和软件两部分。 ( 1 ) 硬件组成：由图1 3 可见，控制用计算机除了主机外，还配有响应的外 部设备如存储器、显示器、打印机、报警单元操作控制台等，而且还必 须有输入、输出通道。 ( 2 ) 软件组成：控制用的计算机系统还必须具有完善的软件系统。软件系统 包括系统软件和应用软件。 电子科技大学硕士论文 图1 3 计算机控制系统硬件组成框图 微型计算机控制系统中，每个控制对象或控制任务都一定要配有相应的控 制程序，用这些程序来完成各个控制对象的不同要求。这种为控制目的而编制 的程序通常称为应用程序。应用程序一般是由用户自己来编写，用户到底采用 哪一种语言来编写应用程序，主要取决与控制系统软件配备的情况和整个系统 的要求，用于计算机控制的语言通常有：汇编语言( a s s e m b l yl a n g u a g e ) ；c 语 言( cl a n g u a g e ) 等等。 1 2 3 计算机控制系统的分类 计算机控制系统按照功能主要分为以下几类： 1 、数据处理系统 数据处理系统对生产过程大量参数作巡回检测、处理、分析、记录以及参 数的超限报警。对大量参数的积累和实时分析，可以达到对生产过程进行各种 趋势分析。计算机数据处理系统如图1 4 所示。 电子科技大学硕士论文 l 制表ll 显示l报警 千千 1 l l计算机 t l 过程藉入通道 l 人工 十十 r 控制 ： ： 或控 r 制装 测量i | 测量l 置 jlj 00 l监控对象 图卜4 数据处理系统框图 2 、直接数字控制( d d c ) 直接数字控制d d c 是微型计算机系统在工业应用中最普遍的一种方式。 计算机通过过程输入通道对控制对象的参数做巡回检测，并按照一定的控制规 律进行运算，运算结果经过过程输出通道作用到控制对象。在d d c 中，计算 机参与闭环控制过程，无需中间环节。它的结构框图如图1 5 所示。 篓哿l 憾台| 旧储器ii 告警i 或c r 丁li 控制台|i ，r 仔陌需 告警 0：3 计算机 tt 输出遵道输入通道 申f申f 控制对象 3 、监督控制( s c c ) 图1 5 直接数字控制系统框图 电子科技大学硕士论文 监督计算机c r t 操作站 uu 高速数据通道 nn 基本调节器基本调节器 ff 上、，ff 0j 控制对象控制对象 图卜6 监督控制型控制系统框图 计算机根据生产过程工艺参数和数学模型给出工艺参数的最佳值，作为模 拟调节器或数字调节器的给定值从而使生产过程始终处于最优状况。监督控制 的效果取决于数学模型的精确程度。监督控制的结构框图如图1 6 所示。 4 、分布式计算机控制系统( d c s ) 分布式计算机控制系统是以微处理机为核心，实现地理上和功能上分散控 制，又通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操 作，并实现高级复杂规律的控制。 1 2 4 单片机在工业控制中的应用 单片机就是将c p u 、r a m 、r o m 、定时器计数器和多种i o 接口电路都 集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它特别适用于控制领域，故又称为 微控制器( m c u ) 。由于单片机具有控制功能强、体积小、成本低、功耗小等 一系列特点，使它在工业控制、智能仪器、节能技术改造、通信系统、信号处 理及家用电器产品中得到广泛的应用，对各行各业的技术改造和产品更新换代 起到了重要的推动作用。 1 2 4 1 单片机在d d c 中的应用 直接数字控制是单片机在工业控制中应用最普遍的一种方式，在这种方式 中，单片机作为系统的一个组成部分或环节，直接参与控制过程。 1 2 4 2 单片机在分布控制系统中的应用 分布控制系统d c s 实际上是一个分级结构的计算机系统，是有一台或数 台主计算机和若干单片机构成的计算机系统。监督计算机s c c 用于事务管理 6 电子科技大学硕士论文 和指导生产，常常由微型计算机系统或中、小型计算机构成。设备控制级d d c ， 用于对生产过程的直接控制和接受来自s c c 的指令，大部分采用单片机作成。 本系统采用分布式计算机控制系统，由一台p c 机和多台单片机构成主从 式树型结构。单片机完成数据采集和接收p c 机下传命令，并直接控制舞台设 备的运行，p c 机将下位机传过来的数据进行处理同时传送各种控制命令给单 片机，以实现集中管理和最优控制。 电子科技人学硕士论文 2 1 系统功能 第二章计算机舞台控制系统功能描述 整个舞台控制系统按控制方式分为控制台和p c 机多媒体控制。p c 机多媒 体为主要控制方式，控制台手动操作在p c 机控制系统出错时用以应急。系统 由两部分组成：数控吊杆控制和舞台机械控制台控制。舞台机械控制台由1 6 路吊杆组成，用以幕布及假台口等控制，不需要精确定位；数控吊杆控制台由 4 4 路吊杆组成，在演出时实现台上的场景及灯光等的变换，吊杆需要精确定位， 需要实现数据存储和单控、集控等多种功能，具体来说，数控吊杆控制台需要 实现的功能主要有： 1 、一场次运行的吊杆数最多可达4 4 路。在数控吊杆控制台中任意剧目的每一 场次都可实现4 4 路吊杆的联动。 2 、吊杆以固定速度运行，定位误差小于l m m 。 4 、吊杆在某场中的位置可预先设定、调蹩。 5 、可预先设置并存储3 0 场剧目吊杆预置数据并自动完成全剧吊杆的运行。 6 、要有单路、回零和录入吊杆当前位置等功能。 7 、能够及时反映吊杆上升、下降、停止状态。 8 、能够及时检测到限位信号和具有急停功能并向用户报警。 9 、计算机人机界面友好，操作简便。 2 2 系统的组成 本系统设计为分布控制系统( d c s ) ，监督计算机s c c 由一台p c 机构成， 设备控制级d d c 由多片a t 8 9 c 5 1 单片机组成。p c 机发出各种控制命令并对 反馈数据进行分析、判断、管理，单片机接受p c 机来的命令赢接控制舞台吊 杆的驱动电机完成吊杆的升降停等。 2 2 1 软件组成 本系统使用的操作系统为w i n d o w s 9 8 ，应用程序包括上、下位机两部分。 p c 机应用程序用v c + + 开发，单片机控制程序借助m c s 5 1 系列单片机的指令 用汇编语言编写。 电子科技大学硕士论文 2 2 2 硬件组成 本系统主要是对各路吊杆的位置控制，吊杆以及各类舞台控制台的升降停 等都是由电机的正转、反转、停来进行控制，位置反馈传感器采用光电编码器， 限位传感器采用行程开关，故系统的输入输出量为数字量和开关量。结合用户 的需求，本系统设计为两级分布控制系统。其硬件组成框图如图2 1 所示。 2 3 系统通讯 上位计算机( p c ) ii 下位计苒机( m c u )下位计算机( m c u 争挣二_ 棒 继电器与电机继电器与电机 图2 1 计算机舞台控制系统框图 分布式计算机控制系统是一种多计算机系统，通过通信子网把多个子系 统组织在一起，实现阶梯控制结构，因此微机间的通信十分重要，必须选择 适当的通信网络结构、通信控制方案和通信介质，以保证信息可靠的在网络 中传送，才能协调网络内各微机共同完成给定的控制任务。 2 3 1 通信方式 基本的通信方式并行通信和串行通信两种。 1 、并行通信 并行通信是指数据字的所有数位同时传送的通信方式。其优点时传输速度 q t lit上一 电子科技大学硕士论文 快；缺点是传输数据有多少位就需要多少根传送线。 2 、串行通信 串行通信是指数据字的所有数位逐位顺序传送的通信方式，它的突出优点 是只需一对传送线，这样就大大降低了传送成本，特别适合远距离通信；其缺 点是传送速度较低。 通常根据信息传送的距离来选择采用哪种通信方式。本系统中p c 机和下 位机之间采用的是串行通信方式。 2 3 2 数据编码 串行通信传送的编码种类很多，但较为流行的是： 1 、扩展的b c d 交换码e b c d i c ：这是8 位数位编码，它常在串行同步通信场 合使用。 2 、国标准信息交换码a s c l i ：这是7 位数位编码，它常在串行异步通信场合 使用。 2 3 _ 3 串行通信的传送方式 若将相互通信的设备分别称为甲方和乙方，则对甲方而言，数据传送方向 有三种方式： 1 、单工方式：只允许甲方发送数据。 2 、半双工方式：甲方既能发送也能接收数据，但任一时刻只能进行其中一种 操作，乙方亦然。 3 、全双工方式：在同一时刻允许甲、乙方同时通过通信传输线进行发送和接 收的操作，甲方在发送数据的同时接收来自乙方的数据，乙方亦然。 2 3 4 串行通信的类型和格式 串行通信分为串行异步通信和串行同步通信两种。它们的通信格式规定如下： l 、异步通信格式 在异步通信中，数据是一帧一帧的传送的，每一串行帧的数据格式如图2 - 2 所示。 电子科技大学硕士论文 三e 斛铺硼ii 数据黼肿符 止| 持奇佴i 止i 摊i 位i 啦 s + 盘数据较融 1 立 位| 兰据一 一 习互厂e 巨王1 丑丑叵叵正王研! e 正 1 个字符 11e 叵e 巨正王王工j _ t 1 ! l 匠 ( b ) 图2 2 异步通信的一帧数据格式 在帧格式中，个字符由四个部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和 停止位。首先是一个起始位0 ，然后是5 8 位数据，接下来是奇偶校验位 ( 可省略) ，最后是停止位“l ”。起始位“0 ”信号只占用位，用来通知接收 设备一个待接收的字符开始到来。线路上在不传送字符时应保持“1 ”。接收端 不断检测线路的状态，若连续为“1 ”以后又测到个“0 ”，就知道发来一个 新字符，应马上准备接收。字符的起始位还被用作同步接收端的时钟，以保证 以后的接收能够正确进行。 起始位后面紧接着数据位，它可以是5 位、6 位、7 位或8 位。奇偶校验 只占一位，但在字符中也可以规定不同的奇偶校验位，则这时这一位就可以省 去。停止位用来表征字符的结束，它一定是高电位。停止位可以是l 位、1 5 位或2 位。接收端收到停止位后，知道上字符已传送完毕，同时也为接收下 一个字符作好准备。若停止位以后不是紧接着传送下一个字符，则让线路上 保持为“l ”。图2 2 ( a ) 表示一个字符紧接着一个字符传送的情况，上一个字 符的停止位和下一个字符的起始位是紧相邻的；图2 2 ( b ) 则是两个字符间 有空闲位的情况，空闲位为“1 ”，线路处于等待状态。存在空闲位正是异步通 信的特征之一。 例如，规定a s c i i 编码，字符为七位，加一个奇偶校验位、一个起始位、 一个停止位，则一帧一共十位。 电子科技大学硕士论文 2 、串行同步通信格式 同步通信中，在数据传送前用同步字符来指示( 常约定1 - 2 个字节) ，实 现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺的传送 数据。串同步传送时，字符与字符间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在 数据块开始时用同步字符s y n c 来指示，其数据格式如图2 - - 3 所示。 + 一同步字符1 呻卜同步字符2 + | 厂 几厂 n 医正 r 几区丑五匠 卜i 可步字符- - , 1 图2 3 同步传送的数据格式 同步字符的插入可以是单同步字符或双同步字符，如图2 3 所示。然后是 连续的数据块。同步字符可以由用户约定，当然也可以采用a s c u u 码中规定 的s y n 码，即1 6 h 。按同步方式通信时，先发送同步字符，接收方检测到同 步字符后，即准备接收数据。 在同步传送时，要求实现发送端和接收端之间的同步。同步传送的优点是 可以提高传送效率，但硬件比较复杂。 2 3 5 波特率和接收发送时钟 l 、波特率 波特率是每秒钟传送的比特数。波特率是串行通信的重要指标，用于表征 数据传输的速率。波特率越高，数据传输速度越快，但和字符的实际传输速度 不同。字符的传输速度是指每秒钟内所传的字符真的真数，和字符帧的格式有 关。 2 、接收发送时钟 在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现。不论接收 还是发送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。接收发送时钟就是用 来控制通信设备接收发送字符数据速度的，该时钟信号通常由微机内部时钟 1 2 电子科技大学硕士论文 电路产生。 接收发送时钟频率与波特率有如下关系： 收，发时钟频率= n 收发波特率 收发波特率= 收发时钟频率n 对于同步传送方式，必须取n = l ，即接收发送时钟频率必须等于收发波特 率。对于异步传送方式n = 1 ，1 6 ，6 4 ，即可以选择接收发送始终频率是波特率 的1 ，1 6 ，6 4 倍。 2 3 6 差错控制 差错控制是提高数据传输质量，减少差错的一个重要方法，而抗干扰编码 又是差错控制的核心。抗干扰编码就是使本来不带规律性或规律性不强的信息 序列，变换为带上规律性或规律性变强的序列。奇偶校验和循环冗余校验c r c 是两种常用的检验错误的方法。 l 、奇偶校验( p a r i t y c h e c k ) 奇偶校验是一种字符校验。发送端在每个字符的最高位之后附加一个奇偶 校验位。发送端按照奇校验或者偶校验的原则编码之后，以字符为单位发送， 接收端按照相同的原则检查收到的每个字符中1 的位数。如果为起奇校验，发 送端发出的每个字符中1 的位数为奇数；若接收端收到的每字符中1 的位数也 为奇数，则传输正确，否则传输错误。偶校验方法类似。奇偶校验通常用于每 真只传送一个字符的异步传输方式。采用奇偶校验方法检错时若有偶数位出错 则奇偶校验无效。 2 、循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c k ) 采用c r c 校验时，发送端发送的编码信息由前面的基本信息和后面校验位 两部分组喊。若编码信息位为n 位，其中信息位为k 位，附加的c r c 校验位 为r ( n - k ) 位，则系统的循环码生成如下： 要编码的k 位信息是 相应的多项式为 m 2 ( 小，m i 一2 ，聊l ，m o )( 2 - 1 ) m ( x ) = m 一1 工一1 + + 卅2 工2 + m l x + ，行o( 2 2 ) 电子科技大学硕士论文 选择一个不可再分的多项式g ( z ) 为循环码生成多项式，g ( z ) 的幂次等于码的校 验位数r = n - k ，将g ( x ) 模2 除x m ( z ) ，得到余式r ( x ) ，其幂次必不超过 ( ”一k 一1 ) ，即 r ( x ) = 卜 一1 x ”一一1 + + 1 x + r o ( 2 3 ) 因此，由q ( x 1 所生成循环码中的一个码多项式 彳( x ) = x 肛，”( x ) + r ( x ) = m 一】x ”一1 + - + ，打l x ”一一1 + m o x ”一+ _ 一 一l x ”一一1 + + z + ( 2 4 ) 与这个码多项式对应的码字为 m = ( + ，鸭，m o ，_ * 】i 一，r l , ) = ( k 位信息码，附加的n k 位c r c 码) ( 2 5 ) 它由不加改变的k 位信息位和附在后面的( n k ) 个校验位( 附加c r c ) 一起 组成一个码字。 c r c 校验原理为：接收端收到发来的循环码编码 相应的码多项式为 m 一( m k _ 1 ，州l ，m o ，h ，r l ，o )( 2 - 6 ) m ( x ) = m 一ix ”一1 + - + 棚ix ”一一1 + m o x “一+ r 月一 一lz ”一+ 1 + + ，lx + r 。o ( 2 7 ) 用同一生成多项式q ( x ) 模2 除m 。( 功，若能整除( 余式r ( x ) = 0 ) ，则表示接收 到正确的编码信息，否则有错。把收到的正确编码信息去掉尾部的r 位，就得 到数据信息。 c r c 校验的原理如图2 4 所示。 1 4 电子科技大学硕士论文 图2 - 4c r c 原理 电子科技大学硕士论文 第三章系统硬件设计与实现 整个舞台控制系统的结构设计为主从式串行总线型，由一台p c 机和多台单片 机及外围电路组成。系统硬件部分a t 8 9 5 1 单片机为控制中心，其外围部件从 功能上可以划分为串行通信接口、输入接口和输出接口三大部分。系统硬件组成 框图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件组成框图 系统采用p c 机为主机，多台单片机为从机的通信方式，主机发送的消息 可以被各从机接收，而各台单片机只能对p c 机发送信息，从机之间不能互相 通信。 31 单片机a t 8 9 c 5 1 原理及应用 单片机a t 8 9 c 5 1 对现场的数据进行采集，传送给p c 机；再接收p c 机下传 指令，直接对吊杆进行控制，故它是整个系统的控制核心，是实现对吊杆自动 化、智能化操作的关键。 3 1 1 单片机的发展 单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，它是一种把具 有运算和控制功能的中央处理器( c p u ) ，半导体存储器、i o ( i n p u t o u t p u t ) 接口和中断系统等集成在同一块硅片上的微型计算机。 6 电子科技大学硕士论文 】9 7 4 年美国仙童( f a j r c h j l d ) 公司研制出世界上第一台单片机f 8 。从此， 单片机开始迅速发展，应用范围也在不断扩大。单片机的发展过程主要有以下几 个阶段。 ( 1 ) 第一代单片机( i 9 7 4 1 9 7 6 年) ，主要特点是制造工艺落后、集成度低； ( 2 ) 第二代单片机( 1 9 7 6 1 9 7 8 年) ，主要特点是在单块芯片内集成有c p u 、 并行口、定时器、r a m 和r o m 等功能部件，但性能低、品种少，应用范围不广： ( 3 ) 第三代单片机( 1 9 7 9 - 1 9 8 2 年) ，这是8 位单片机的成熟阶段，主要特点 是存储容量和寻址范围大，中断源、并行口、定时器计数器个数增加，而且指 令更加丰富； ( 4 ) 第四代单片机( 1 9 8 3 年后) ，这是1 6 位单片机和8 位高性能单片机并行 发展的时代。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，然而由于1 6 位单片机的销 售量并不大，价格也比较贵，大量应用领域采用的是8 位单片机。 3 1 2 单片机的内部结构 单片机内部含有一台微型计算机所需要的基本功能部件，基本结构如图3 2 所示，现对图中各部件分诉如下： 1 、中央处理器c p u c p u 是单片机的核心部件，它通常由运算放大器、控制器和中断电路等组成。 c p u 有自己的指令系统，用于编制单片机的应用程序。c p u 进行算术运算和逻辑 操作的字长同样有4 位、8 位、1 6 位和3 2 位之分，字长越长运算速度越快，数 据处理能力也越强。 2 、存储器 在单片机内部，r o i d 和r a m 存储器是分开制造的。通常，r o m 存储器容量较 大，r a m 存储器容量较小，这是单片机用作控制的大特点。r o m 存储器一般为 1 - 3 2 k 字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。r a n 存储嚣容量一般为 6 4 2 5 6 字节，最多可达1 k 字节。r a m 存储器主要用来存放实时数据或作为通用 寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 3 、i 0 接口和特殊功能部件 电子科技火学硕士论文 i o 接口电路有串行和并行两种。串行i o 用于串行通信，它可以把单片机 内部的并行8 位数据( 8 位机) 变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送 来的数据并把它们变成并行数据送给c p u 处理。并行 o 口电路可以使单片机和 存储器或者外部设备之间并行地传送8 位数据( 8 位机) 。 定时器 l 外部时系统时钟 _ ，计数器 i 元件 t 叫 串行i ，op - l p h - _ 卫 复位 - 卜+ l 并劬0 i r o m 中断一 电源 - - ir a m 1r l 一 c p u 图3 2单片机内部结构 通常，特殊功能部件包括：定时器计数器、a b 和d a 、d i d a 通道和系统时 钟等电路。定时器计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机定时控制；a d 和 d a 转换器用于模拟量和数字量之间的相互转换，以完成实时数据的采集和控制； d m a 通道可以使单片机和外设之间实现数据的快速传送。总之，某一单片机内部 究竟包括那些特殊功能部件以及特殊功能部件的数量是和它的型号有关的。 3 1 3 单片机a t 8 9 c 5 1 a t 8 9 c 5 1 是一种低功耗低电压、高性能的8 位单片机，片内带有一个4 k 字节 的f l a s h 可编程可檫除只读存储器( p e r o m ) ，它采用了c m 0 s 工艺和a t m e l 公司的高 密度非易失性存储器( n u r a m ) 技术，而且其输出引脚和指令系统都与i d e s 一5 1 兼 容。片内的f l a s h 存储器来编程。因此a t 8 9 c 5 1 是一种功能强，灵活性高且价格合 理的单片机。 a t 8 9 c 5 1 的结构框图见图3 3 。 电子科技大学硕士论文 图3 3a t 8 9 c 5 1 结构框图 a t 8 9 c 5 1 具有以下主要性能： ( 1 ) 4 k b 可改编程序f l a s h 存储器( 可经受1 ，0 0 0 次的写入檫除周期) ( 2 ) 全静态工作：0 i - i z - - 2 4 m h z ( 3 ) 三级程序存储器保密 ( 4 ) 1 2 8 x8 字节内部r a m ( 5 ) 3 2 条可编程i o 线 ( 6 ) 2 个1 6 位定时器计数器 ( 7 ) 6 个中断源 ( 8 ) 可编程串行通道 1 9 y 电子科技大学硕士论文 ( 9 ) 片内时钟振荡器 32 系统硬件设计 系统硬件设计包括有串行通信接口、1 1 0 接口、人机接口、系统安全性几个 模块。 3 2 1串行异步通信接口设计 根据设计要求，系统的智能测控功能由单片机系统独立完成，而它的具体 功能及参数的设置则由p c 机完成，所以在单片机和p c 机之间必须由一个交 换信息的相互通道。在本系统中，p c 机和单片机之间是采用串行异步通信的 方式进行数据交换的。 3 2 1 1 串行通信总线标准 标准的通信总线有以下几类： ( 1 ) r s 2 3 2 c ，r $ 2 3 2 e ( 2 ) r s 4 4 9 ( r s 一4 2 2 ，r s 4 2 3 和r s 4 8 5 ) ( 3 ) 2 0 m a 电流环 ( 4 ) u s b 通用接口 所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接1 3 电路标准化、通用化， 借助串行通信标准接口，不同类档的数据通信设备可以很容易的实现它们之间 的串行通信连接。r s 一2 3 2 c 是由美国电子工业学会( e i a ) 正式公布的、在异 步串行通信中应用最广的标准总线。它适合于短距离通信或带有调制解调器的 通信场合，为了提高数据传输速率和通信距离，e i a 又公布了r s 4 2 2 ，r s 4 2 3 和r s 4 8 5 串行总线接口标准。2 0 m a 电流环是一种非标准串行接口电路。但 由于它具有简单、对电器噪声不敏感的优点，因而在串行通信中也得到广泛使 用。但是由于8 0 2 8 6 以上的微机中的多功能卡上没有预留2 0 m a 的器件，所以 应用系统设计中设计者为了避免另做硬件的麻烦，不大采用2 0 m a 。 为保证可靠性高的通信要求，在选择接口标准时，必须注意两点：通信 速度和通信距离抗干扰能力 】、通信速度和通信距离 通常的标准串行口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通信速度和传 送距离指标。但这两个指标之间具有相关性，适当的降低通信速度，可以提 商通信距离，反之亦然。例如，采用r s 一2 3 2 标准进行单向数据传送时，最大 电子科技大学硕：e 论文 数据传输速率可达2 0 k b s ，最大传送距离为1 5 m 。改用r s 一4 2 2 标准时，最大 传输速率可达1 0 m b s ，最大传送距离为3 0 0 m ，适当降低数据传输速率，传送 距离可达到1 2 0 0 m 。 2 、抗干扰能力 通常选择的标准接口，在保证不超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力， 以保证可靠的信号传输。但在一些工业测控系统中，通信环境往往十分恶劣， 因此在选择通信介质、接口标准时要充分注意其抗繁荣能力，并采取必要的抗 干扰措施。例如，在长距离传输时，使用r s 一4 2 2 标准，能有效的抑止共模信 号干扰。 单片机处于环境差的控制现场，与p c 机的距离远且干扰大，所以系统采 用r s 4 8 5 总线接口标准。 3 2 1 2r s 一4 8 5 总线标准 r s - 4 8 5 是一种能适合远距离的数字通信总线标准。在r s 一4 2 2 标准的基础 上，e i a 研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的r s 一4 8 5 总线标准， 其传输最大速率l o m b s ，在此速率下，电缆允许长度为1 2 0 m ；如果采用较低 速率9 0 0 0 0 b s ，最大距离可达1 2 0 0 m 。r s 一4 8 5 是一种半双工的标准，即在某一 个时刻，一个发送一个接收。 r s 一4 8 5 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具 体规格要求： ( 1 ) 收器的输入电阻r i n 1 2 k q ( 2 ) 动器能输出7 v 的共模电压 ( 3 ) 入端的电容5 0 p f ( 4 ) 在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 q 的终端电阻的情况下，驱动器至少还能 输出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) ( 5 ) 接收器的输入灵敏度为2 0 0 m v ( 即( v + ) 一( v - ) i 0 2 v ，表示信号“0 ”： ( v + ) 一( v 一) 一o 2 v ，表示信号“1 ”) 因为r s 一4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得r s 一4 8 5 成为工业应用中数据传输的首选标准。 电子科技大学硕士论文 3 2 1 3 系统实现 整个系统的接口原理图如图3 4 所示。 图3 4 系统接口原理图 由于般p c 机只有r s 2 3 2 接口，若实现r s 4 8 5 标准接口通信，则需要 设计2 3 2 4 8 5 接口卡。2 3 2 1 4 8 5 接口卡原理图见附录。 p c 机的r s 2 3 2 口通过m a x 2 3 2 将2 3 2 转化为t t l ，再由m a x 4 8 7 将t t l 转换为r s 4 8 5 传送；单片机通过m a x 4 8 7 将t t l 电平转换为r s 4 8 5 传送。 3 2 2i 0 接口设计 在单片机测控的系统中，必须有被测信号的输入通道，即前向通道，用来 采集必要的输入信息；系统还必须有控制信号的输出通道，用来实现对被控对 象的控制操作。在本系统中，前向通道主要用来采集上下限位信号和外来计数 脉冲，而后向通道主要用于控制信号的输出，这些输入、输出都是开关信号， 因此系统的前后向通道主要由输入、输出( i o ) 接口组成。 一、i o 接口中的抗干扰设计 微机测控系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系 统可靠性的重要指标。因此抗干扰设计是