（机械电子工程专业论文）基于嵌入式系统的24通道舞台电脑灯控制系统的设计.pdf

摘要 舞台灯光也称“舞台照明”，是舞台美术造型的手段之一。它利用舞台灯光 设备( 如照明灯具、电脑灯、控制系统等) 和技术手段，以光色、光度、光位的各 种变化表现环境、渲染气氛、突出人物，创造舞台的空间感与时间感，塑造舞台 演出的外部形象，并提供必要的灯光效果( 如风、雨、云、水、火、闪电等) 。 本文将基于d m x s l 2 协议的2 4 通道舞台电脑灯控制系统分为硬件和软件两 个部分进行研究，并对系统进行了控制精度分析和故障分析： ( 1 ) 在硬件部分，采用6 片美国c y g n a l 公司的一种高性能混合信号s o c 型 8 位单片机联合系统作为主控制系统，两相步进电机和三相混合式步进电机作为 执行元件，l 6 2 0 4 为驱动器，并采用s p w m ( 正弦波脉宽调制) 驱动作为两相与 三相步进电机的驱动方式。本文设计的电脑灯包括x 轴动作控制和定位、y 轴动 作控制和定位、调焦器控制、光圈控制、特效旋转、特效自转、换色器控制、图 案1 和图案2 旋转、图案l 和图案2 自转、光闸、c m y 颜色混合控制、主控制 板温度检测、机身温度检测、灯头温度检测等2 4 个功能。 ( 2 ) 在软件部分，将系统软件的整体结构划分为以下主要功能模块：主程 序模块、系统初始化模块、系统菜单的显示和操作模块、通信模块、两相步进电 机驱动模块、三相电机驱动模块、x 轴驱动与定位控制模块、y 轴驱动与定位控 制模块、调焦器控制模块、图像缩放模块、光圈控制模块、光闸控制模块、c m y 颜色混合控制模块、特效旋转控制模块、特效自转控制模块、换色器控制控制模 块、图案l 和2 旋转控制模块、图案l 和2 自转控制模块、主控制板温度检测、 机身温度检测、灯头温度检测模块等。并对其中的主要模块进行了详细的分析， 针对各模块不同的功能特点，采用了不同的控制方法。 ( 3 ) 对系统中影响控制精度与性能的因素进行分析，并综合考虑系统性能、 成本，以选择最佳的方案。对调试过程中和系统运行中常见的故障进行了分析， 并提出了排除故障的一般流程和解决问题的办法。 关键词：电脑灯；s p w m 驱动；c 8 0 5 1 单片机；d m x s l 2 协议 广东t 业大学t 学硕i 学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tb e a ma l s oc a l l s s t a g el i g h t i n g , w h i c hi so n eo fs t a g e f i n ea r t s m o d e l i n gm e t h o d s i t u 8 e st h es t a g el i g h t i n g ( f o re x a m p l ei l l u m i n a t i o nl a m p sa n d l a n t e r n s ，i n t e l l i g e n tb e a m , c o n t r o ls y s t e ma n d8 0o n ) a n dt h et e c h n i c a lm e t h o d , b y c h a n g eo ft h el i g h t e o l o r , t h el u m i n o s i t ya n dt h el i g h tp o s i t i o n s h o w sp e r f o r m a n c e e n v i r o n m e n l e x a g g e r a t e st h ea t m o s p h e r e g i v e sp r o m i n e n c et ot h ec h a r a c t e r , c r e a t e st h e s p a t i a lf e e l i n ga n dt h et i m ef e e l i n go fs t a g e , m o l d st h es t a g ep e r f o r m a n c ee x t e r i o r i m a g e ，a n dp r o v i d e st h ee s s e n t i a lu g h te f f e c t ( f o re x a m p l ew i n d , r a i n , c l o u d , w a t e r , f i r e , l i g h t n i n ga n d s oo n ) t h i st h e s i si sc o n s i s t e do f h a r d w a r ep a r ta n ds o a w a r ep a r t ，a n da n a l y z e st h ec a u s e s w h i c hi n f l u e n c et h ep r e c i s i o no f t h es y s t e m ( 1 ) i nh a r d w a r ep a r t ，s i xp i e c e so f c 8 0 5 1 f 0 2 0i su s e da sm a i nc o n t r o l l e rw h i c hi s 8b i tm i c r o c o n t r o l l e rp r o d u c e db yc y g n a l t w o p h a s e ss t e p p i n gm o t o rw h i c hi sd r i v e n b yi n v a r i a b l et o r q u ea n dd u a lc h o p p e rd r i v e rl 6 0 2 4 a n dt h r e e - p h a s eh y b r i d ms t e p p i n g m o t o r sw h i c hi sd r i v e nb yt h r e e p h a s ed u a lc h o p p e rd r i v e r , i su s e da se x e c u t i n g c o m p o n e n t a l lt h em o t o r sa d r i v e nb ys p w m t h i si n t e l l i g e n tb e a mc o n t a i n s2 4 c h a n n e l s ，w h i c ha r es h u t t e r , c o l o r s ，g o b o s ，r o t o rg o b o s , p a n , t i l ta n ds o0 1 1 ( 2 ) i ns o f t w a r ep a r t , t h ep a p e rd i v i d e st h ew h o l ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e m s o f t w a r ea sb e l o w ：m a i np r o g r a mm o d u l e ，i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e , m e n ud i s p l a y m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e , t w op h a s e ss t e p p i n gm o t o rd r i v i n gm o d u l e ，t h r e e p h a s e ss t e p p i n gm o t o rd r i v i n gm o d u l e ，p a nc o n t r o lm o d u l e ，m tc o n t r o lm o d u l e ，f o c u s c o n t r o lm o d u l e , z o o mc o n t r o lm o d u l e ，i r i se o n t r o lm o d u l e ，s h u t t e rc o n t r o lm o d u l e ，c m y c o l o rm i x t u r ec o n t r o lm o d u l e ，c o l o rc o n t r o l m o d u l e ，g o b o l a n dg o b 0 2c o n t r o l m o d u l e ，g o b o la n dg o b 0 2r o t o rm o d u l e ，e f f e c t sc o n t r o lm o d u l e ，e f f e c t sr o b oc o n t r o l m o d u l ea n d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tm o d u l e s ，t h et h e s i sh a su s e d d 蛐f e r e n ta r i t h m e t i t s ( 3 ) t h et h e s i sp u t s f o r w a r dt h eo p t i m a lp r o j e c tb a s i n g0 nc a l c u l a t i n gt h e p e r f o r m a n c ea n dc o s t ra n a l y s e st h en o r m a lm a l f u n c t i o n sa n dt h ec a u s e sw h i c h i n f l u e n c et h ep r e c i s i o no f t h es y s t e m , a n da p p l i e dt h er e s o l v e n l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb e a r i l ；c s 0 51m i c r o c o n t r o u e r ；d m x 51 2p r o t o c o l ；s p w m d r i v e i i i 广东= 业大学t 学硕l 学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期| b j 在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字0 b 形墨 指导教师签字： 抄。年譬其弘e t | 第一章绪论 1 1 电脑灯简介 第一章绪论 电脑灯本身装有一个微型电脑电路，可以接受控制台发出的信号，并将它转 化为电信号控制机械部分，实现各种功能。电脑灯可分为三大部分：其一是电脑 电路，它是灯的大脑，接受命令以及发出命令都是由它来完成，还可以自我检查 功能，设置地址编码，调整内部参数或功能。其二是机械部分，它是由若干个步 进电机组成，每个步进电机都可以独立动作，分别带动图案转轮、颜色转轮和调 光、聚焦、光斑水平移动及垂直移动操作的机械部件。最后是光源部分，电脑灯 的光源大部分都是高亮度的金属卤化物灯泡，灯具内部安装了镇流器等灯泡电源 电路。与电光源配套的光学系统非常先进，颜色片是由耐高温、透光率极高的滤 色材料制成，使电脑灯射出的光束亮度非常高，颜色非常纯正。电脑灯是集先进 的光学系统、精密的机械系统、准确的电脑控制系统于一身的新型灯具，以其高 亮度、纯正的色彩、丰富的图案效果在许多演出和娱乐场合中占据主流的位置i l j 。 1 2 国内外电脑灯的发展 1 2 1 电脑灯的发展历史 电脑灯得名于英文i n t e l l i g e n tb e a m 。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，在国外 一些大型的户外演唱会上和电视舞台上，为了烘托现场气氛，开始使用一些由电 机控制的筒子灯来产生可以摆动和颜色变化的光束效果。这种筒子灯就是电脑灯 的雏形1 2 j 。 随着现代科学技术的发展，电脑灯控制技术取得了革命性的进步。现代的电 脑灯是一个融合光学、机械、电子、电气及计算机控制等多学科的综合产物。它 不仅具有可控的光斑移动速度和轨迹，可控的灯光亮度，可控的光束方向、色彩 和图案。而且功能越来越多，可靠性、稳定性也越来越高，光束更加突出、色彩 广东l 业人学t 掌坝l 学位论文 更加绚丽、饱和度更高、体积越来越小、重量越来越轻，并且更易为摄像机所捕 捉【卦。 随着在电脑灯上要实现的功能增多，原来简单的8 位主控c p u 难以满足系统 的要求，这样出现多个c p u 联合的控制系统。为了提高电脑灯各个部分的控制精 度，控制系统对步进电机的控制也由原来的简单的细分发展到目前的流行的 s p w m 驱动控制，同时用新型的三相混合步进电机代替原来应用在x 轴和y 轴 的两相步进电机。 1 2 2 电脑灯的发展现状 近3 0 年的演出灯光发展史中，电脑灯的发明确实使我们的表演舞台发生了很 大的变化。目前，主要有摇头灯和扫描灯两种。它制造了频闪、图案、光柱变化 等舞台效果，让以往舞台颜色的变化需靠换色器甚至灯具数量的增加变成了历史。 新型的电脑灯还有追光功能，使逆光位置的追光成为可能。有些电脑灯还可自然 风冷，在音乐厅或演播室使用尤为突出。最近有些电脑灯还具备成像功能，它以 软件在电脑中产生图像、或在库存中选取资料，合成后交由视频投射器输出，所 有图案、影像、图片、动画等资料可自我生成或由别的格式转换而来，免去了以 往投射装最图案底片冲洗的时间、成本及制图拍摄等麻烦。 目前生产电脑灯及其控制器的国外著名厂家有m a r t i n 公司( 丹麦) 、c l a y p a k y 公司( 意大利) 和s g m ( 意大利) 公司；国内厂家主要有浙江舞台电子技术研 究所( 杭州) 和广州彩熠舞台灯光音响有限公司等。各个厂家的电脑灯及其控制产 品分别介绍如下： l 、马田公司哪a r t 聃 马田公司的产品系列有摇头灯( m o v i n g h e a d ) 、扫描灯( s c a n n e r ) 、换色灯( c o l o r c h a n g e ) 、效果灯( i n t e l l i g e n te f f e c t ) 等系列，其中摇头灯有m a c 2 5 0 、m a c 5 5 0 、 m a c 7 0 0 、m a c 2 0 0 0 等；扫描灯有m x 1 0e x t r e m e 、r o b o s c a np m9 1 8 等。马田 公司的电脑灯控制器2 0 2 3 、2 3 0 8 、p c 3 1 2 0 及c a s e 可连接所有的马田的电脑灯， 功能也涵盖电脑灯的所有功能【4 l 。 2 、百奇( c l a yp a k y ) 公司 百奇公司生产的产品包括六大系列：摇头灯( m o v i n gh e a d ) 、扫描灯( m o v i n g 2 第一章绪论 s c a n ) 、换色灯( c o l o rc h a n g s ) 、投影灯( f o l l o ws p o t ) 、线显示( d i s p l a yl i n e ) 等系列。 其中扫描灯系列包括：s u p e rs c a n ，g o l d e ns c a n 3 ， t i g e rs c a n ，m i n i s e a n 3 0 0 掣研。 3 、s g m 公司 s g m 公司的摇头灯主要有g i o t l o 系列和i d e a 系列，扫描灯主要有 g a l i l e o 系列和v i c t o r y 系列等。此外还有投影灯n e w t o n 系列，数字调光 器p o w e r l i g h t 系列等产品嘲。 4 、浙江舞台电子技术研究所 自7 0 年代开始进行计算机灯光控制技术的研究，推出的电脑灯控制产品在 国内市场已占有相当份额。目前产品主要有e k o 系列电脑灯光控制台，包括 e k o 9 3 和e k o i n i 等研。 5 、广州彩熠舞台灯光音响有限公司 广州彩熠公司的摇头灯主要有f i n e2 0 0 0 、f i n e3 0 0 0 系列、f i n e4 0 0 5 0 0 7 0 0 等 系列，户外摇头灯有v - x x x x 系列，此外还有t h e v i s t a 控制器等产品i s 。 1 2 3 电脑灯控制系统的发展趋势 就目前各个厂家电脑灯及其控制产品发展现状来看，随着现代科学技术的发 展，电脑灯及其控制技术日益呈现数字化、智能化以及网络化的特点。 ( 1 ) 数字化技术是将电脑灯控制系统的电压、电流、温度等模拟量以及开、 关状态等开关量都转换成用二进制表示的数字量，由此可以方便地进行存储、转 换和进行各种处理。同时，使用数字化技术还能有效地改善因过多使用模拟电子 器件带来的系统性能不稳定的缺陷。 ( 2 ) 智能化就是指电脑的控制系统自动检测电脑灯的各个工作状态与误差 状态，如负载状态、主板、机身和灯泡温度状况、保护装置状态等，并能将状态 和信息等参数在显示面板上显示出来，同时根据各种状态的具体情况采用相应的 保护措施，如主板温度超过预定的温度时，提高底座风扇的输出功率，加快风扇 的风速来降低主板温度。 ( 3 ) 网络化是数字化灯光控制系统的一个全新发展趋，它指在电脑灯的控 制系统中加入以太网控制模块，这样电脑灯就可以通过因特网跟控制台或p c 机 连接，因而可以远程对电脑灯的控制系统的源码进行远程更新，也可以远程控制 广东t 业大学t 学坝卜学位论文 电脑运转以及对电脑灯进行各种状态检测，并把信息传回给远程主机进行处理阴。 1 2 4 d m x 5 1 2 协议简介 d m x s l 2 协议最先是由u s i t t ( 美国剧院技术协会) 提出并发展成为控制台 用标准数字接口控制调光器的方式。d m x s l 2 的简单性、可靠性以及灵活性使其 迅速成为资金允许情况下选择的协议，除了电脑灯外，还有许多其它的舞台设备 使用这一协议。d m x 5 1 2 包括电气特性、数据协议、数据格式等各方面的内容。 d m x s l 2 电气特性与r s - 4 8 5 完全兼容，包括驱动器接收器的选择、线路负载和 多站配置等方面的要求都是一致的。数据发送基于一种8 位异步串行协议，带一 个开始位( 低电平) 和两个停止位( 高电平) ，没有奇偶校验【l o 】。因此一个数据 帧有1 1 位元。由于每一位的宽度的时间是4 u s ，所以发送一个帧需要4 4 u s 的时间。 如果线路要发送一个连续的数据包，则会产生2 5 0 0 0 0 b s 的数据流，或称2 5 0 k 波 特率。在进行正常数据传输之前，发送1 个复位信号，声明数据传输的开始。随 后的第1 帧数据称为起始代码，其中包含设备类型码，以指明后续数据的接收设 备的类型。然后，按设备编号的顺序给每个设备发送l 帧数据，依次为：l 号设 备数据帧、2 号设备数据帧，直至最后一个设备。设备总数最多可达5 1 2 个，每 两个数据帧之间空闲时的电平为高电平，最长不超过1 s 【l “。 1 3 课题研究的意义 电脑灯经过几十年的发展，从最初简单的筒子灯到现代多功能智能化电脑 灯，取得了日新月异的发展。我国的电脑灯工业自上世纪后期从国外引进电脑灯 以来，经历了从完全依赖进口，到仿造国外品牌，到自行设计制造的成长过程， 无论在设计技术还是在制造工艺上，都取得了很大的进步。但是不足的是，国内 各电脑灯品牌大都限于中低端产品，而高端市场几乎都为国外品牌所占领。其主 要原因就是国内尚未掌握电脑灯控制领域中最先进的控制技术。因此，电脑灯控 制系统的研究，对增强国内电脑灯品牌在国内乃至国际市场的竞争力具有重要意 义。 目前，国内市场上2 4 通道的国外舞台电脑灯采用的单片机类型比较多，从8 4 第一章绪论 位到3 2 位都有。而国内在2 4 通道舞台灯研发才刚刚起步，本文在降低产品成本 和提高控制性能的目标下，针对国内广泛应用的2 4 通道舞台电脑灯，提出采用 c y g n a l 公司的8 位先进的微处理器c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为舞台电脑灯的主控制器。 1 4 论文的主要工作 本文根据舞台电脑灯的工作原理和控制要求，主要在以下几个方面开展研究 工作： l 、研究基于d m x s l 2 协议的和以6 片c 8 0 5 1 f 0 2 0 微控制器为核心的舞台电 脑灯控制系统的解决方案。 2 、研究2 4 通道舞台电脑灯控制系统的硬件体系结构。 3 、研究步进电机s p w m 控制方式的原理以及驱动脉冲生成，各路电机控制 以及系统各部分之间的协调控制。 4 、开发舞台电脑灯控制系统的软件。 1 5 本章小结 舞台电脑灯自上世纪8 0 年代初诞生以来，随着科学技术的发展，特别是数 字化电脑技术的飞速发展，电脑灯经过起初的模拟时代变换发展到了今天的数字 化时代。到今天，电脑灯已经发展成为了一个非常庞大的家族，其品牌至少也有 上百种。目前，舞台电脑灯正应用于越来越多的领域，发挥着越来越重要的作用。 但是，目前国内应用广泛的2 4 通道舞台电脑灯在控制技术上与国外相比， 特别是在三相电机控制方面还较为落后。因此，论文的主要工作是研究2 4 通道舞 台电脑灯的控制技术，以求设计一台满足市场需求的电脑灯的控制系统。 第二章电脑灯原理与器件选型 电脑灯主要包括光源、光闸与频闪、c m y 颜色混合、图案1 的旋转与自转、 图案2 的旋转与自转、特效的旋转与自转、光圈、调焦控制以及色温调节等功能。 本文根据电脑灯的工作原理和功能要求为系统的控制芯片和执行元件步进电机选 择合适的型号。 2 12 4 通道电脑灯的工作原理 2 4 通道电脑灯的工作原理如图2 1 所示。通过电光源的聚光照射，将图案片 的图案形状及颜色片的颜色经过快门在光学成像系统中成像，然后通过前端的凸 透镜将图案投射出去。 图2 12 4 通道电脑灯工作原理图 f i g 2 - lw o r k i n gp r i n c i p l eo f 2 4c h a n n e l si n t e l l i g e n tb e a m 按照电脑灯的工作原理和应用特征，2 4 通道电脑灯控制系统可以分为以下9 个功能模块：光源、光闸与频闪、c m y 颜色混合、图案1 的旋转与自转、图案2 6 第一二章电脑灯原理与器件选型 的旋转与自转、特效的旋转与自转、光圈、调焦控制以及色温转换等1 2 1 。 2 1 1 电脑灯的光源部分 电脑灯的光源部分主要由灯泡跟反光杯组成，其结构示意图如图2 - 2 所示，图 中的凹槽位置为灯泡安装位置，椭圆型的玻璃罩为反光杯，用于汇聚灯泡发出的 光，使灯的光线朝同一个方向射出。 图2 2 灯泡组合的结构示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f l a m pa s s e m b l y 电脑灯的灯源采用金属卤化物灯，金属卤化物灯主要依靠金属卤化物作为发 光材料，金属卤化物以固体形态存在灯内。因此，灯内必须充有少量的引燃气体 氢或氙，以便点燃灯泡。灯点燃后，首先工作在低气压弧光放电状态，此时灯两 极电压很低，约1 5 2 0 v ，光输出也很少，这时主要产生热能，使整个灯体加热， 引入灯中的金属卤化物随温度升高不断蒸发，成为金属卤化物蒸汽，在热对流的 作用下，不断向电弧中心流动，一部分金属卤化物被电弧5 5 0 0 6 0 0 0 k 高温分解， 成为金属原子和卤素原子，在电场的作用下，金属原子被激发发光；另一部分金 属卤化物不被电弧高温所分解，在高温和电场双重作用下，直接激发形成分子发 光。由于各种金属卤化物蒸发温度不同，因此，这些粒子陆续蒸发参与发光，所 以有不同的原子光谱相继出现，随着温度的逐渐升高，电弧中金属原子密度逐渐 增加，产生共振吸收，原子特征光谱逐渐减弱直至消失，并向长波段扩展，由于 灯温进一步提高并建立热平衡，于是全部金属卤化物蒸发，分子光谱随之出现， 光色及亮度也趋于稳定，灯内气压可达几十个大气压，灯内电弧由低压弧光放电 7 广东t 业人学1 。学硕卜学位论文 转为高压弧光放电，灯两端电压由1 8 2 0 v 上升并逐渐稳定到1 0 0 v 左右，进入 正常发光状态。灯的发光效率与灯的外形尺寸、工艺结构和所含金属种类有关。 本文设计的电脑灯采用o s r a m 公司的1 2 0 0 w 金属卤化物灯作为发光源， 其功率由1 2 0 0 w 电子镇流器提供，o s r a m 公司的1 2 0 0 w 金属卤化物灯的参数 如表2 1 。由于表演区域、悬挂高度、摆放位置、追求的艺术效果各不相同，对 电脑灯光度的要求也各不相同。灯泡的功率越大，光度就越强，价格也就越高。 表2 11 2 0 0 w 金属卤化物灯的参数 t a b 2 1t e c h n i c a li n f o r m a t i o no f m e t a lh a l i d el a m p 名称数值 灯泡型号 h m i 1 2 0 0 w g s 功率1 2 0 0 w 灯泡工作电压 1 0 0 v 灯泡电流 1 3 8 a 色温 6 0 0 0 k 平均寿命 1 0 0 0 h 2 1 2 光闸( 调光器) 电脑灯的光闸的结构示意图如图2 3 所示，光闸是用来调节灯射出光束的亮 度，是通过步进电机来控制遮光片开合程度的方式实现。通过该功能可以实现灯 射出光束从全黑到全亮的逐渐变化，也可以以一定的频率闪抖。 图2 - 3 光闸的结构示意图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo fs h u t t c r 8 第二章电脑灯原理与器件选型 2 1 3 c m y 颜色混合 c m y 颜色混合的结构示意图如图2 4 所示，电脑灯丰富的色彩变幻效果可以 通过不同颜色片之间叠加来实现，其颜色混合系统由青色、洋红色以及黄色三种 滤光片组成，每种颜色都有两片具有相互吻合的两块色片，通过三个步进电机来 控制六片色片的叠加位置，从而产生各种不同的颜色效果，同时不同的色片移动 速度会产生不同的颜色变化效果。 图2 - 4 c m y 的结构示意图 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo f c m y c o l o r 2 1 4 图案的变化与旋转 图案盘的结构示意图如图2 5 所示，图案的变化与旋转是通过切换和旋转图 案片来实现，图案片是一种上面刻有某种图形的玻璃，电脑灯的光束通过图片后 会将图形放大投影到舞台上。在灯的图案机架上装有两个步进电机，一个电机负 责图案片的切换，另一个则负责图案片的自身旋转，图案切换和旋转的速度以及 方向通过控制台控制。丰富多彩的图案变化与旋转，不仅增加了画面的艺术美感， 而且可以激发人们的想象力。 9 图2 - 5 图案盘的结构示意图 f i g 2 - 5s t r u c t u r eo f g o b o 2 1 5 特效变化与旋转 特效盘的结构示意图如图2 - 6 所示，特效盘由一片水纹镜、一片三棱镜和一 片雾化镜组成，跟图案盘一样，特效盘也有两个步进电机，一个负责棱镜切换， 一个负责棱镜自转。光束通过图案片形成的图像经过特效盘后可以产生带有水纹 效果或三个共圆心图案，当棱镜自转时，经棱镜的图案会产生旋转效果。 图2 - 6 特效盘的结构示意图 f i g 2 6s t r u c t u r eo f e f f e c t s 第一二章电脑灯原理与器件选型 2 1 6 颜色切换 颜色盘的结构示意图如图2 7 所示，颜色的切换是通过旋转颜色盘来实现的， 颜色片是一种上面有某种颜色的玻璃，电脑灯的光束通过颜色片后会滤除颜色片 颜色以外的其它颜色，这样光束的颜色就变成了当前颜色片的颜色。在灯的颜色 机架上装有一个步进电机负责颜色片的切换，颜色切换的速度以及方向通过控制 台控制。丰富多彩的颜色变化，增加了画面的艺术美感。 2 1 7 光圈 图2 7 颜色盘的结构示意图 f i g 2 7s t r u c t u r eo f c o l o r 光圈的结构示意图如图2 8 所示，光圈是一个由很多活动柳叶组成的圆孔， 在一根连动轴的控制下，其可以控制圆孔的大小来控制光束的大小，这样可以通 过控制台控制灯在舞台上光束大小，并能随意变化。 图2 - 8 光圈的结构示意图 f i g 2 8s t r u c t u r eo f i r i s l l 2 1 8 聚焦与缩放 聚焦与缩放的结构示意图如图2 - 9 所示，在电脑灯支架的最前方装有类似于 相机镜头的装置，由两块透镜组成，通过电机控制两块透镜到光源的距离来聚焦 和放缩图像，利用光学的原理来控制图像的放大、缩小以及清晰度。 图2 - 9 聚焦与缩放模块的机械结构示意图 f i g 2 9m a c h i n es t r u c t u r eo f f o c u sa n dz o o mm o d u l e 2 1 9 光束的移动 在电脑灯的使用中，常常需要把光束或图形按照一定的轨迹从一点移到另一 点，这就要求电脑灯能够在大范围内作平稳、准确、可调速的移动，而光束的移 动依靠控制x 、y 轴转动来实现，从图2 1 0 看出x 、y 轴可以分别在x 轴平面与 y 轴平面旋转，两者组合可以使光束在三维空间中随意转动。 图2 1 0 电脑灯x 轴与y 轴的结构示意图 f i g 2 - 1 0s t r u c t u r eo f x - a x i sa n dy - a x i sw i t hi n t e l l i g e n tb e a m 1 2 第二章电脑灯原理与器件选墅 2 2 控制芯片选型 从电脑灯的原理图2 1 可以看出，电脑灯的主要执行元件为步进电机。整个 电脑灯一共有1 8 路步进电机需要控制，因而需要控制c p u 提供比较多的端口， 同时系统的电机都采用s p w m ( 正弦波脉宽调制) ，因而需要控制c p u 有p w m 生成模块。为了更好地保护灯泡以及电脑灯控制主板，控制系统提供了温度检测 功能，故控制c p u 还需要模数转换模块。根据系统的功能需求，本文选择了美国 德州c y g n a l 公司的一种混合信号s o c 型8 位单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，其具有丰富的 片上外围模块资源，如f l a s h 存储器，看门狗定时器，比较器，a d 转换器、8 个 字节宽的端口i o 、两个u a r t 串行接口、可编程的1 6 位计数器定时器阵列、 有5 个捕捉比较模块、5 个通用1 6 位计数器定时器、专用的看门狗定时器等【1 3 1 。 2 2 1c 8 0 5 1 系列单片机介绍 c 8 0 5 1 f 0 2 0 ( 简称f 0 2 0 ) 是美国德州c y g n r a 公司推出的一种混合信号s o c 型8 位单片机，它使用的是s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 5 1 与 m c s 5 1 t m 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软 件开发，与传统的8 0 5 1 系列单片机相比，c 8 0 5 1 f 0 2 0 具有许多其它的优点，如： 1 速度提高 c i p 5 1 采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提 高。在一个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d i v 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系 统时钟周期，最大系统时钟频率为1 2 2 4 m h z 。而对于c i p 5 1 内核，7 0 的指 令的执行时间为l 或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4 个系统 时钟周期。因此，c i p 5 1 工作在最大系统时钟频率2 5 m h z 时，它的峰值性能达 到2 5 m i p s 。 2 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 技术 c 8 0 5 1 单片机内部预设了j t a g 模块，它使得每一个单片机芯片都具有完整 的在线调试功能，而不必使用复杂的仿真调试工具。 3 f l a s h 在线编程技术 c 8 0 5 1 系列的f l a s h 型单片机不但可以采用外部编程器进行烧写，用户还 广东工业丈学- 学硼卜学位论文 可以利用自己的程序修改f l a s h 的内容，而且不需要外加编程电压，可以方便 地实现软件升级【。 2 2 2 存储器组织结构 c i p 5 1 系统控制器的存储器组织与标准8 0 5 1 的存储器组织类似。有两个独 立的存储器空间：程序存储器和数据存储器。程序和数据存储器共享同一个地址 空间，但用不同的指令类型访问。c i p 5 1 内部有2 5 6 字节的内部数据存储器和6 4 k 字节的内部程序存储器地址空间。m c u 在这个程序存储器空间中实现了6 5 5 3 6 字节可在系统编程的f l a s h 存储器，组织在一个连续的存储块内，从地址0 x 0 0 0 0 到0 x f f f f 。程序存储器通常被认为是只读的，但是c i p 5 1 可以通过设置程序存 储写允许位( p s c t l o ) 。用m o v x 指令对程序存储器写入。这一特性为c i p 一5 1 提供了更新程序代码和将程序存储器空间用于非易失性数据存储的机制。 c i p 一5 1 的数据存储器空间中有2 5 6 字节的内部r a m ，位于地址o x o o 到o x f f 的地址空间。数据存储器中的低1 2 8 字节用于通用寄存器和临时存储器。可以用 直接或间接寻址方式访问数据存储器的低1 2 8 字节。从0 x 0 0 到0 x l f 为4 个通用 寄存器区，每个区有8 个寄存器。接下来的1 6 字节，从地址0 x 2 0 到0 x 2 f ，既可 以按字节寻址又可以作为1 2 8 个位地址用直接位寻址方式访i a l t l 2 】。 2 2 3 系统中断结构 与传统的8 0 5 1 系列单片机相比，c 8 0 5 1 系列c p u 拥有扩展的中断系统，扩 展的中断系统向c i p 5 1 提供2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大 量的模拟和数字外设中断的微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干 预，因而有更高的执行效率。其增加了s m b u s 接口、比较器0 、比较器l 、定时 器4 溢出、可编程计数器阵列等中断源。各中断源、中断标志、优先级以及地址 分配情况如表2 2 所示，在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非 常有用的【1 4 1 。 1 4 表2 - 2c 8 0 5 l f 0 2 0 的中断向量 t a b 2 - 2i n t e r r u p tv c c t o 培o f c 8 0 5 1 f 0 2 0 中断源中断标志地址优先级 外部复位 无0 x o o o o最高 外部中断0 ( i n t 0 1 i e 0 ( t c o n 1 ) 0 x 0 0 0 3o 定时器0 溢出 t f 0 ( t c o n 5 1 o x o o o bl 外部中断i ( i n t i )i e i ( t c o n 3 ) o x 0 0 1 32 定时器l 溢出 t f i ( t c o n n o x 0 0 1 b3 r 1 0 ( s c o n 0 u a i 盯0o x 0 0 2 3 4 t 1 0 ( s c o n 0 1 ) 定时器2 溢出 t f 2 ( t 2 c o n 7 ) 0 x 0 0 2 b5 串行外设接口 s p i f ( s p i o c n 7 1 o x 0 0 3 36 s m b u s 接口 s i ( s m b o c n 3 ) o x 0 0 3 b7 a d c 0 窗口比较 a d o w i n t ( a d c o c n 2 、 0 x 0 0 4 38 可编程计数器阵列 c f ( p c a o c n 7 ) c c f n ( p c a o c n n 、 0 x 0 0 4 b9 比较器0 下降沿 c p o f i f ( c p t o c n 4 1 o x 0 0 5 3 1 0 比较器0 上升沿 c p o r i f ( c p t o c n 5 1 o x 0 0 5 b1 l 比较器1 下降沿 c p l f i f ( c p t l c n 4 1 o x 0 0 6 31 2 比较器1 上升沿 c p l r i f ( c p t l c n 5 1 0 x 0 0 6 b1 3 定时器3 溢出 t f 3 ( t m r 3 c n 7 ) o x 0 0 7 31 4 a d c 0 转换结束 a n o i n t ( a d c o c n 5 ) o x 0 0 7 b1 5 定时器4 溢出 t f 4 ( t 4 c o n 7 1 o x 0 0 8 31 6 a d c i 转换结束 a d i i n t ( a d c l c n 5 1 o x 0 0 8 b1 8 外部中断6 m 6 ( p 3 i f 5 1 o x 0 0 9 3 1 8 外部中断7 i e 7 ( p 3 i f 们 o x 0 0 9 b1 9 u a r t l r i i ( s c o n i 0 ) t 1 1 ( s c o n l 1 1 o x 0 0 a 32 0 外部晶体振荡器准备好 x t l v l d ( o s c x c n n o x o o a b2 1 1 5 广东t 业大学工学硕i 学位论文 2 2 4 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的j t a g 接口 盯a g 是j t a g 组织1 9 8 5 年制定的检测p c b 和i c 芯片的一个标准，1 9 9 0 年 被修改后成为i e e e 的一个标准，即i e e e l1 4 9 1 1 9 9 0 。通过这个标准，可对具有 j t a g 口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测。这是为了在线测试的需要而 发展起来的针对芯片及线路板测试的接口技术。它利用串行移位输入及输出的方 式对芯片的输入端加载特定的代码序列，并获得输出端给出的响应序列。 c 8 0 5 1 系列每个m c u 内部都有j t a g 和调试电路，可以通过j t a g 接口使用 安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式、全速的在系统调试。s i l i c o n l a b s 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器、断点和单步执行；不需要额外 的目标r a m 、程序存储器或通信通道。在调试时，所有的模拟和数字外设都全 功能正确运行( 保持同步) 。当m c u 因单步执行或执行到断点而停机时，w d t 被禁止。整个调试过程，外部只需要一台能实现j t a g 接口控制功能的主机即可， 一般用一台p c 电脑，经过u s b 接口就能实现。其主要引脚及功能见表2 3 ： 表2 3j t a g 引脚及其功能 t a b 2 3f u n c t i o no f j t a 0p i n s 引脚 描述 t d o测试数据输出 t d i测试数据输入 t m s测试模式选择 t c k 测试时钟输入 r s t 测试复位，输入引脚，低电平有效 当用户将源程序编译生成代码后，就可以将程序代码下载到芯片的f l a s h 中。用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，在程序中设置断点。根据型号 的不同，可以同时设置2 或3 个断点。这些断点是硬件断点，它是经过j t a o 接 口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。因此可以调试f l a s h 存储 器及r a m 中的程序而不改变用户程序的运行条件。用户可以通过调试环境软件 的人机对话界面，检查或修改f l a s h 芯片内的各种存储器、寄存器的数据。这 些检查与修改也是通过j t a g 接口的传输完成的【l ”。 1 6 第一二章电脑灯原理与器件选型 2 3 步进电机选型 2 3 1 两相步进电机选型 步进电机主要分为三种类型：永磁式( p m ) 、反应式( v r ) 和混合式( 咖) 。 混合式步进电机兼具永磁式步进电机和反应式步进电机的优点，应用最为广泛。 混合式步进电机一般为两相或五相。两相步进电机的步距角一般为1 8 。，五相步 进电机的步距角一般为0 7 2 0 。在本系统中，两相步进电机主要应用于颜色、图案 等，这些部分需要的负载转矩不大，转速要求不高i l o j 。 下面对图案盘的最大带负载启动频率进行估算。 图案片盘的半径为r l = 8 4 m m ，厚度为2 1 3 r a m ；完整的颜色片圆盘质量约为 i n l = 9 8 9 ：小圆盘片半径为r 2 = 1 0 m m ：每个小圆盘片质量约为m 2 = 4 9 ；颜色片 盘与小圆盘孔轴心之间的距离为d = 6 8 m m ( 盘片形状见图2 1 1 ) 。 图2 - 1 1 图案盘示意图 f i g 2 - 11s k e t c ho f p a t t e r np l a t e 计算扣除8 个小圆盘后的图案片盘从0 加速到2 0 0 h z 时，所承受的惯性 负载，完整的图案片盘的转动惯量为： j z l ：l m l r t 2 ：0 5