基于工业PC的音乐喷泉控制系统的研究优秀毕业论文 参考文献.pdf

分类号! 旦2 2 3 1 51 3 窆 u d c y9 8 5 7 0 8 密级 硕士学位论文 基于工业p c 的音乐喷泉 控制系统的研究 梁广瑞 学科专业控亟理论量控剑工猩 指导教师莶型! 蝰数握塞缉剑副数握 论文答辩日期 2 q q 鱼：鱼：! q 答辩委员会主席至世红塾援 学位授予日期 论文评阅人奎世红塑撞塞查宝副数撞 摘要 基于工业p c 的音乐喷泉控制系统的研究 摘要 音乐喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉，通过现代控制技 术把喷泉和音乐紧密结合而生成的一种新的喷泉艺术形式。随着现 代城市建设的发展，音乐喷泉已经成为现代城市生活的重要娱乐设 施之一。 本文结合某大型音乐喷泉控制系统的改造工程对音乐喷泉的控 制进行了研究与探讨。论文提出了两种基于工业p c 的音乐喷泉控制 的实现方法，一种是采用微软v c 6 0 开发平台进行程序开发，主要 研究了w in d o w s 平台下的多媒体技术、精确定时技术和基于工业p c 的控制技术。采用这种方法，将音乐喷泉的控制程序按功能分为多 个模块，其中水型编辑模块和运行模块是两个主要部分，水型编辑 模块提供给用户一个友好的界面编辑音乐喷泉的动作水型，生成水 型文件，然后运行模块根据水型文件执行动作。另一种方法采用基 于ie 0 6 113 卜3 标准的先进控制软件结合组态软件实现。使用 ie c 6 113 卜3 标准的工控语言设计好基本水型功能块之后，通过水型 功能块的选择与添加就可以快速方便的设计音乐喷泉的控制程序。 通过在p c 上的仿真模拟，上述两种方法都取得了比较好的效果。 关键词：音乐喷泉工业p c ie c 6 113 卜3 标准 软逻辑控制系 统 a b s t r a c t t h es t u d yo fm u s i c a lf o u n t a i nc o n t r o l s y s t e mb a s e do ni p c a b s t r a c t m u s i c a lf o u n t a i nt h a tm a k e su s eo fm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g yf o ra r t i f i c i a l f o u n t a i ni san e ws t y l ea r t i s t i cf o r mw h i c hc o m b i n e sm u s i ca n df o u n t a i nt i g h t l y t h r o u g hm o d e mc o n t r o lt e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o n ， m u s i c a lf o u n t a i nb e c o m ea ni m p o r t a n te n t e r t a i n m e n to ft h em o d e mc i t yl i f e l i n k i n gw i t har e n o v a t i o np r o j e c to fac e r t a i nm u s i c a lf o u n t a i n ，w ef o c u st h i s p a p e ro nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dp r o p o s et w ok i n d so fm e t h o dt oi m p l e m e n ti t t h e f i r s to n eu s et h ev i s u a lc + + t od e v e l o pt h ep r o g r a ma n dm a i n l ys t u d yt h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , m u l t i m e d i at i m e rb a s e do nt h ew i n d o w sa n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo f i n d u s t r i a lc o m p u t e r i nt h i sm e t h o d ，t h ep r o g r a mw a sc o m p o s e do fs e v e r a lm o d u l e s ， w h i c ht h ew a t e rf o r me d i t e dm o d u l ea n dt h er u n n i n gm o d u l ew a st h em a i nb o d y t h e w a t e rf o r me d i t e dm o d u l eo f f e ru s e raf r i e n d l yi n t e r f a c et oe d i t e dw a t e rf o r mo ft h e s o n ga n dg e n e r a t et h ew a t e rf o r mf o r m a tf i l eu l t i m a t e l y t h er u n n i n gm o d u l er u n s a c c o r d i n gt ot h ew a t e rf o r mf o r m a tf i l e t h eo t h e rm e t h o dw a si m p l e m e n t e dt h r o u g h t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dt h ea d v a n c e dc o n t r o lp l a t f o r mb a s e do ni e c6 1131 - 3 s t a n d a r d i nt h i sw a y , a st h eb a s i cw a t e rf o r mb l o c kw h i c hp r o g r a m m e di nc o n t r o l l a n g u a g eb a s e do ni e c6 1131 - 3s t a n d a r dw a sc o m p l e t e d ，t h eu s e rc a nc o n f i g u r et h e w h o l ec o n t r o lp r o g r a me a s i l ya n dq u i c k l y t h r o u g hs i m u l a t i n go nt h ep c ，b o t hw a y s a b o v eg e tr e l a t i v e l yg o o de f f e c t k e yw o r d s ：m u s i c a lf o u n t a i n ；i n d u s t r i a lc o m p u t e r ；i e c 61131 - 3s t a n d a r d ；s o f t l o g i cc o n t r o ls y s t e m i i - 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 弛 刨! 笸：坚 导师签名： 日期： 竖皇堕 弘炉6 6 、z 4 , 第一章绪论 第一章绪论 1 1 音乐喷泉的现状及发展趋判1 1 1 2 0 】【2 5 】【3 5 】【4 5 】 音乐喷泉是近几年来出现的喷泉水景与音乐欣赏相结合的产物，它的出现 改变了喷泉艺术单调不变的局面。在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的色彩以 及喷泉造型等随着音乐变化而变化，忽而气势磅礴，犹如万马齐奔，忽而悠然 舒缓，犹如春风抚过杨柳，使观众陶醉于音乐与水型的完美结合中。目前，音 乐喷泉出现了各种表现形式，比如大型广场喷泉、激光喷泉、水幕电影、超高 喷泉、人工瀑布等。 由于音乐喷泉作为一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，国内各大 城市或在广场或在公园都有它的身影。可以说，音乐喷泉已经成为一种娱乐产 业，具有很高的经济效益和社会效益。为了适应喷泉工程建设的需要，国内出 现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司。根据中国水景喷泉委员会企业资 质等级名单，国内比较著名的喷泉公司有：天津市大德喷泉科技有限公司、北 京金瀑布环境艺术有限公司、深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司 【4 5 】。一些大专院校和科研院所也积极的进行音乐喷泉的研究开发，如人民大学、 清华大学、中科院计算所、中科院自动化所等。 决定音乐喷泉艺术效果的一般有下面几个因素，控制水平、喷头设计和喷 泉的空间布局等。因此可以说音乐喷泉涉及到众多的学科，一个大型音乐喷泉 项目的完成需要机械、给水排水、自动控制等各种专业人才的通力合作才能完 成。其中音乐喷泉的控制是个关键技术，音乐喷泉之所以能够千变万化，随 着音乐翩翩起舞，起决定作用的就是它的电脑控制部分，否则喷泉的造型将只 能是静态的、缺乏生气与活力。因此本文结合某市的大型音乐喷泉控制系统的 改造工程，主要对音乐喷泉的控制系统部分进行研究。 目前音乐喷泉的控制主要有下面三种方式： 1 、完全程控方式 程控方式是实现原理比较简单的一种控制方式，这种方式下喷泉的造型变 换、水柱高低、灯光变换等都是在程序完成之前设计好的，一般一首歌曲配有 相应的控制程序。这种方式的优点是设计原理简单、与对应歌曲的配合程度高、 第一章绪论 现场表现效果也最好。但是缺点也是很明显的：一首歌曲一般只有预编辑好的 一种控制效果，观众观看多次后容易出现审美疲劳现象；采用新的歌曲，原控 制程序就会与音乐搭配不当，音乐与水型不能和谐统一，失去了音乐喷泉的控 制内涵；设计一首新的歌曲的喷泉造型很麻烦，需要原控制软件设计人员才能 完成，工作量大、设计周期长。 2 、音控方式 音控方式是通过音乐信号实时控制喷泉造型的一种方式，目前已经开始逐 步流行。它的工作原理是实时采集c d 播放机的音频模拟信号，通过在计算机 内处理，根据音乐的音量、频率、节拍等控制喷泉水型。这种方式可以适用于 很多歌曲，不需要更改程序，只需更换不同音乐的c d 光盘就可以有对应的喷 泉造型。但是目前的音控方式还处于比较初级的阶段，控制效果不够理想。主 要原因是控制程序一般只是根据音量或者频率来选择水型而没有完全综合音乐 中音量、音色、节拍、节奏及旋律等有关音乐表现力的要素来进行控制。并且 由于阀门、水泵的机械特性和管道特性的原因，通过采集音乐模拟信号来实时 控制比较难以解决控制水型滞后的问题。 3 、可编辑水型程控方式 因此对于大型音乐喷泉，目前比较流行可编辑水型程控方式。可编辑水型 程控方式可以满足水型效果好又可以适用不同音乐的要求。这种工作方式下， 即使不是专业的控制软件开发人员也可以方便的为一首新的曲目配上合适的水 型。音乐喷泉表现出来的艺术效果除了要跟音乐有紧密的关系外，基本水型的 设计也是很重要的一个环节。可编辑水型程控方式的工作原理一般是首先由控 制软件的开发人员设计出众多基本水型，然后提供一个友好的界面让用户根据 对音乐的理解来设计整首歌曲的喷泉造型。 现有的音乐喷泉控制方式几乎都可以归属于上面三种，随着p c 技术、智 能控制技术的发展，自动识别信号、智能化、水型及乐曲易管理的音乐喷泉将 是未来产品的发展趋势。 1 2 音乐喷泉控制系统改造项目简介 1 2 1 课题来源 本课题来源于某大型音乐喷泉控制系统的改造工程和广西大学科学技术重 第一章绪论 点基金资助项目( 2 0 0 4 z d 0 3 ) ：“基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的先进控制平台软件及 应用”。 1 2 2 音乐喷泉系统介绍 该音乐喷泉建在一个湖面上，整个音乐喷泉系统的平面造型如图卜1 所示。 图1 - 1 音乐喷泉平面造型图 f i g 1 - 1t h ei c h n o g r a p h yo f m u s i c a lf o u n t a i n 音乐喷泉由一个中心环和四个造型相同的飞碟组成。中心环正中是一个百 米喷泉，通过4 个水泵供压。百米喷泉外围有3 层跑泉，最里一层有3 0 个喷头， 由1 5 个水泵共同供压，中问一层6 0 个喷头，每个喷头由一个变频器控制一个 1 1 k w 的水泵进行供压，最外一层9 0 个喷头，每个喷头由一个丹佛斯v l t 2 8 0 0 变频器控制一台水泵进行供压。另外百米喷泉有1 0 盏白色水下灯，外围的最里 一层跑泉有红、绿、白三种水下彩灯各3 0 盏，中间层有红、绿、白三种水下 第一章绪论 彩灯各6 0 盏，最外一层有红、绿、白三种水下彩灯各9 0 盏。 4 个飞碟造型一致，以中心环为中心成对称排列。每个飞碟泉都有一个中 心主喷和外围一环跑泉组成。每个飞碟中心主喷由一台5 5 k w 的潜水泵供压， 外围的跑泉有5 0 个喷头，通过6 台潜水泵进行供压。另外每个飞碟中心主喷有 8 盏白色水下彩灯，一环跑泉有红、绿、白三钟水下彩灯各5 0 盏。 由于控制系统部分硬件及软件的局限性，原控制系统存在几个突出问题。 由于喷泉的控制采用程控的方式，用户不能修改或添加喷泉水型，也不能增加 新的歌曲。而目前用户的要求主要是音乐跟水型的多样化，能够方便、容易的 增加音乐喷泉的曲目，并且音乐和喷泉水型能和谐的统一在一起。另外原系统 操作界面不够友好，操作繁琐。音乐采用c d 机进行播放，而工业p c 用于喷泉 的控制，这两者不能完美的结合。操作人员只能根据程序里播放音乐的顺序播 放c d ，如果任选一首歌曲播放，需要同时在工业p c 和c d 机上进行操作。另外 限于当时技术水平，控制系统的硬件复杂度比较高，系统不够稳定。 1 3 课题的研究内容和意义”5 儿叫 本课题以工程为背景主要研究音乐喷泉控制系统实现的技术。第一，采用 多媒体工业p c ，通过传统的基于w i n d o w s 平台的程序设计方法，研究设计了符 合项目要求的控制程序。第二，采用基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的控制软件来实现对 音乐喷泉的控制。 音乐喷泉作为一种独特的人工景观，获得了广大人民的青眯。目前音乐喷 泉已经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益，研究和设计高水 平的音乐喷泉控制技术是非常重要的。 另外，i e c 6 1 1 3 1 3 是全世界控制工业第一次制订的有关数字控制软件技术 的编程语言标准，符合该标准的控制软件成功地将现代软件的概念和现代软件 工程的机制用于p l c 传统的编程语言。因此，它具有良好的开放性，先进的语 言结构，支持结构化的程序开发和软件重用。 基于i e c 6 1 1 3 l 一3 标准的软p l c 控制技术结合了p l c 和p c 的优点，既有 传统p l c 强大的逻辑控制、定时控制、步进控制等功能，对多达几百点i o 的 控制系统，又能够节省投资，另外还可以充分发挥计算机指令执行速度高、存 储器容量大的特点以及利用各种软件资源。所有这些特点恰恰符合了音乐喷泉 4 第一章绪论 控制的要求，因此采用基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软逻辑控制技术来实现音乐喷泉 控制将更经济、更容易实现。 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 2 1 喷泉控制系统的硬件构成嘲嘲汹m 8 1 音乐喷泉控制系统具有控制点数多，实时性要求高的特点。采用工业p c + 现场总线+ 1 0 板卡的体系可以很好的满足音乐喷泉控制的要求。这种体系结构 的优点表现为简化了系统的网络结构和设备设计、简化了复杂的通信接口、提 高了系统的通信效率、降低了硬件和备件投资，易于调试和维护。整个音乐喷 泉控制系统的硬件结构如图2 - 1 所示： 图2 1 音乐喷泉控制系统的硬件结构 f i g 2 一l h a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ec o n t r o ls y s t e m 2 1 1 工业p c 的特点【3 3 】 工业p c 是在原个人计算机( p c ) 基础上演变过来的。它充分发挥p c 的 技术优势( 拥有丰富的硬、软件资源) ，巧妙地将p c 总线与工业生产自动化联 6 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 系起来。工业p c 具有可靠性高、实时性好、环境适应性强、过程输入和输出 配套好、控制软件包功能强等特点。音乐喷泉既有音乐播放、停止等音乐的控 制以及对音频数据的处理，又有喷泉水型动作的控制。对于大型音乐喷泉控制 系统，只需一台工业p c 配上相应的i o 板卡、通讯卡、声卡就能满足控制核心 的需求，另外在工业p c 内就可以完成所有的软件配置。因此它具有简化了系 统网络结构和设备设计、简化了复杂的通信接口、易于调试和维护的优点。 2 1 2 控制板卡选型【3 6 】 系统中采用了研华公司的p c i 一7 5 3 、p c i 一1 7 5 3 e 、p c i 1 6 1 2 u 、p c i 一1 7 2 3 板 卡和一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 转换器。 p c i 1 7 5 3 是一款p c i 总线的9 6 路数字量i o 卡，它可以经由p c i 一1 7 5 3 e 扩 展为1 9 2 路的数字量i o 。p c i 一1 7 5 3 仿真8 2 5 5p p i 模式0 ，但是缓存电路提供 了比8 2 5 5 更高的驱动能力，9 6 路i o 线分成1 2 个8 位i o 端口：a 0 、b 0 、c o 、 a 1 、b 1 、c 1 、a 2 、b 2 、c 2 、a 3 、b 3 和c 3 。用户可以使用软件配置每个端口 作为输入或输出端口。p c i 1 7 5 3 具有以下一些特点： 1 、9 6 1 9 2 路t t l 数字量i o 2 、仿真8 2 5 5 p p i 模式0 3 、提供比8 2 5 5 更高的驱动能力缓冲电路 4 、多中断源处理能力 5 、中断输出管脚可在中断产生同步触发外部设备 6 、输出状态回读 7 、“模式匹配”和“状态改变”中断功能，可用于重要的i o 监控 8 、系统重启动时保持i o 设置和数字量输出值 p c i 一1 6 1 2 u 是4 端口r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5p c i 通讯卡，下面是它的一些特点： l 、通用p c i 卡( 3 3 v 和5 v 信号) 2 、4 个r s 一2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口 3 、自动r s 一4 8 5 数据流控制 4 、高电压隔离包含( 2 5 0 0 v d c ) p c i 一1 7 2 3 是8 路模拟量输出卡，下面是它的一些特点： l 、自动校准功能 2 、每个模拟量输出通道带一个1 6 位d a e 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 3 、同步输出功能 4 、热重启系统后保持输出值 5 、板卡i d 2 2 控制端口分配 整个控制系统使用了4 块p c i 一7 5 3 、4 块p c i 一1 7 5 3 e 、一块p c i 一1 6 1 2 u 、 一块p c i 一1 7 2 3 和一块r s 2 3 2 转r s 4 8 5 转换器。它们与控制对象的对应关系附 在附录上。 表2 1 控制端口分配表 t a b l e 2 1c o n 订o lp o nd i s t r i b u t e 板卡及编号控制对象及编号i o 编号 a 0 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 0 1 v 6 1 0 8 a 1 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 0 9 v 6 1 1 6 a 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 11 7 v 6 1 2 4 a 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 2 5 v 6 1 3 2 b 1 ： b o 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 3 3 v 6 1 4 0 p c i 一7 5 3 p c i 1 7 5 3 e b 1 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 4 1 v 6 1 4 8 b 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 1 4 9 v 6 1 5 0 ； v 6 2 0 l v 6 2 0 6 b 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 0 7 v 6 2 1 4 c o 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 1 5 v 6 2 2 2 c i 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 2 3 v 6 2 3 0 c 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 3 1 v 6 2 3 8 c 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 3 9 v 6 2 4 6 a o 飞碟环形阀( 8 ) v 6 2 4 7 v 6 2 5 0 ； v 6 3 0 l v 6 3 0 4 a i 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 0 5 v 6 3 1 2 a 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 1 3 v 6 3 2 0 b 2 ： a 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 2 1 v 6 3 2 8 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 p c i 一7 5 3 p c ib 0 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 2 9 v 6 3 3 6 1 7 5 3 e b 1 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 3 7 v 6 3 4 4 b 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 3 4 5 v 6 3 5 0 ； v 6 4 0 1 v 6 4 0 2 b 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 0 3 v 6 4 1 0 c o 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 1 i v 6 4 1 8 c i 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 1 9 v 6 4 2 6 c 2 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 2 7 v 6 4 3 4 c 3 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 3 5 v 6 4 4 2 板卡及编号 控制对象及编号i o 编号 a 0 飞碟环形阀( 8 ) v 6 4 4 3 v 6 4 5 0 a l 一环跑泉阀( 8 ) v 2 0 0 l v 2 0 0 8 a 2 一环跑泉阀( 8 ) v 2 0 0 9 v 2 0 1 6 a 3 一环跑泉阀( 8 ) v 2 0 1 7 v 2 0 2 4 b o 一环跑泉阀( 6 ) v 2 0 2 5 v 2 0 3 0 b 3 ： b 1 飞碟中心泵( 4 ) p 2 0 1 p 2 0 4 p c i 一7 5 3 p c i b 2 飞碟环形泵( 6 ) p i o i p 1 0 6 一1 7 5 3 e 1 3 3飞碟环形泵( 6 ) p 2 0 1 p 2 0 6 c o飞碟环形泵( 6 ) p 3 0 1 p 3 0 6 c 1 飞碟环形泵( 6 ) p 4 0 1 p 4 0 6 c 2 百米喷泉泵( 4 ) p 1 1 p 1 4 c 3中心环跑泉泵( 8 ) p s o i p 5 0 8 a 0 中心环跑泉泵( 7 ) p 5 0 9 p 11 5 a 1 预留飞碟动力机方向控制 b 4 ： a 2飞碟气泵( 2 ) p c i 一7 5 3 p c i a 3 百米灯( i ) + 中心一环跑灯( 3 ) + 中 1 7 5 3 e l , - - 环跑灯( i ) 9 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 b o 中, b - - 环跑灯( 3 ) + 中心三环跑灯 ( 3 ) b 1 中心三环跑灯( 6 ) l 3 1 2 l 3 1 7 b 2 飞碟中心灯( 4 ) l 4 1 3 l 4 1 6 b 3 飞碟环形灯( 6 ) l 4 0 1 l 4 0 6 c o 飞碟环形灯( 6 ) l 4 0 7 l 4 1 2 c 1湖边射灯( 8 ) l 5 0 1 l 5 0 8 c 2 c 3 板卡及编号控制对象及编号i o 编号 b 5 ：p c i 一1 7 2 3 变频器b 1 5 1 一 飞碟环形泵第一路模拟量 变频器b 1 5 2 一 飞碟环形泵第二路模拟量 变频器b 1 5 3 一 飞碟环形泵第三路模拟量 变频器b 1 5 4 一 飞碟环形泵第四路模拟量 预留飞碟动力机变频器 5 8 路 中心环二环和三环的1 5 0 台变频器利用r s 4 8 5 总线进行控制，一共使用了 5 条r s 4 8 5 总线，每条总线驱动3 0 台丹佛斯v l t 2 8 0 0 系列变频器。中 b - - 环6 0 台变频器b o i b 6 0 分别由工控机一个r s 2 3 2 转r s 4 8 5 转换器和通讯卡的一个端 口负责，中心三环9 0 台变频器b 6 1 b 1 5 0 则分别由通讯卡的3 个端口负责。 2 3 控制软件的设计原理 控制系统软件运行于w i n d o w s 平台，采用微软公司的v c 6 0 开发工具进行 开发。控制软件结构如图2 2 所示，主要包含系统管理模块、测试模块、水型 编辑模块、运行模块和i o 驱动模块几个部分。其中，系统管理模块管理测试、 运行和水型编辑等其它功能模块：系统测试模块负责测试阀门、灯及变频器的 1 0 第二章音乐喷泉控制系统整体设计 工作情况；水型编辑模块提供一个友好的工作界面让用户根据对音乐的理解来 添加基本水型，最后生成水型文件；运行模块根据水型模块生成的水型文件， 按一定的控制规律控制喷泉的水型；i o 驱动模块则负责接收测试模块和运行模 块发送的数据并据此驱动1 0 板卡和通讯卡。 系 统 管 理 模 块 图2 - 2 控制软件结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f c o n t r o ls o f tw a r e 喷泉的控制原理如下。音乐喷泉运行时水型的变化是由对应歌曲的水 型文件决定的。水型编辑模块存储有基本水型，当用户使用水型编辑模块 设计水型时，从已设计好的基本水型中选择某段时间对应的基本水型。完 成整首歌曲的水型设计后，该首歌曲的水型就可以保存为中心主喷水型文 件和飞碟水型文件。基本水型由一条或多条记录组成，这些记录含有基本 水型持续时间、节拍时间、水型变化规则、跑泉属性等有关信息。喷泉运 行时，运行模块按照水型文件保存的记录顺序，以5 5 毫秒为时间单位不 断的读取记录内容，经过一定的逻辑处理后向端口发送控制数据。 第三章多媒体音频的基本原理 第三章多媒体音频的基本原理 直接采用微软v c 6 0 开发平台进行程序设计，涉及到w i n d o w s 平台下的一 些音频控制的原理，本章主要介绍w i n d o w s 平台下多媒体音频处理的基本原理， 这些原理也是多媒体计算机音乐喷泉的控制基础。 3 1 波形文件分析与应用 3 1 1 波形音频文件格式2 i n i 5 i 在多媒体中，存储声音信息的文件格式主要有：w a v 文件、m i d i 文件、 v o c 文件、m p 3 文件等。由于w a v 文件直接保存声音模拟波形采样点的数据， 没有经过压缩，可以对数据进行比较方便的处理，因此音乐喷泉的控制采用 w a v 文件格式对音乐进行处理。 w a v 文件是m i c r o s o f t 公司的音频文件格式。w a v 文件来源于对声音模拟 波形的采样。它采用的方法是“脉冲编码调s t ( p c m ：p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ”， 即用不同的采样频率对声音的模拟波形进行采样得到一系列离散的采样点，以 不同的量化位数( 8 位或1 6 位) 把这些采样点的值转换成二进制数，然后存入 磁盘，这样就产生了声音的w a v 文件，即波形文件。w a v 文件格式如表3 1 所示： 表3 1w a v 文件格式表 r i b l e3 1 觚，f i l ef o r m a t 偏移量字节数据 0 0 0 04“砌f f ”标志 0 0 0 4 4 波形块的大小( 文件大小减8 ) 0 0 0 84“w w e ”标志 0 0 0 c4 “f m t ”标志 0 0 1 04 格式块的大小( 1 6 字节) 0 0 1 42 w f i w f o r m a t e t a g = w a v e _ f o r m a t _ p c m ，格式识别 0 0 1 62 w f n c h a n n e l s ，声道数，单声道为1 ，双声道为2 第三章多媒体音频的基本原理 o o l 84 w f n s a m p l e s p e r s e c ，采样率 0 0 1 c4 w f n a v g b y t e s p e r s e c 0 0 2 02 w f n b i o e k a l i g n 0 0 2 22 w f w b i t s p e r s a m p l e ，每样本的数据位数 0 0 2 44 “d a t a ”标志 0 0 2 84波形数据大小 0 0 2 c波形数据 波形文件以文本字符串“r j f f ”开始，用来标识这是一个r i f f 文件。字 符串后面是一个3 2 位的块大小，表示文件其余部分的大小，或者是小于8 字节 的文件大小。块数据以文本字符串“w a v e ”开始，用来标识这是一个波形音 频块，后面是文本字符串“f m t ”。“f m t ”字符串的后面是格式信息大小，这里 是1 6 字节。格式信息是w a v e f o r m a t e x 结构的前1 6 个字节，或者是最初 定义时一样，是包含w 心，e f o r m a t 结构的p c m w a v e f o r m a t 结构。下面 是这3 个结构的定义。 t y p e d e fs t r u c t w a v e f o r m a t w f ； w o r dw b i t s p e r s a m p l e ； p c m w a v e f o r m a t ； 波形格式； w a v e 文件的采样大小 w a v e f o r m a t 结构定义如下： t y p e d e fs t r u c t 打开音乐文件，然后在文件对话框选择要打开的文 件，点击确定即可。图4 1 是打开某个w a v 文件后的界面。 图4 1 编辑模块界面 f i g 4 - 1t h ee d i tm o d u l ei n t e r f a c e 2 、音乐分段 音乐分段有粗分段和细分段，在对一首曲子开始分段时首先采用粗分段的 形式。点击音乐播放按钮，随着音乐的播放，根据自己对音乐的理解，可以点 击窗口上的“选点”按钮进行粗分段。 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 经过粗分段之后，在停止音乐播放状态下，可以根据音乐的波形进行细分 段。段与段之间在时域的波形上有比较大的差异。图4 2 是音乐分段后的界面 图 图4 - 2 音乐分段界面 f i g 4 - 2m u s i cd i v i s i o ni n t e r f a c e 3 、波形的放大 为了更精确的对音乐进行分段，可以对波形进行放大。在需要放大的波形 左端按下鼠标左键不放，接着拖动一个需要放大的范围，然后点击工具栏上的 放大图标，系统将把需要放大的波形段放大到整个显示波形的窗口。 4 、水型添加 在对水型进行了分段之后就可以为每个段添加水型。首先在添加水型的段 单击鼠标左键，然后在窗口右下方的水型列表框中双击要添加的中心池水型和 跑泉水型。图4 3 是水型添加窗口示意图。 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 图4 - 3 水型添加窗口示意图 f i g 4 - 3t h ew i n d o wo f a d d i n gw a t e rf o r m 4 2 2 实现原理【3 】 水型编辑模块的实现使用了微软m f c 的单文档程序框架结构，为了更好的 组织程序与数据，设计了3 个类c w a v e f i l e 、c w a v e p l a y 和c w a v e v i e w 来实现 这部分功能。 1 、c w a v e f i l e 类 这个类的作用主要是对音频文件进行打开、获取波形数据、对波形进行幅 度包络修改等操作。下面是该类声明中的主要部分。 c l a s sc w a v e f i l e p r i v a t e ： w a v ew a v e ；h w a v e 用于保存波形数据 c h a r m _ s t r f i l e n a m e 5 1 2 ；要操作的音频文件名 b o o lv a l i d f i l e n a m e ( l p t s t rf i l e n a m e ) ；，获取音频文件的有效名称 v o i d r e s e t w a v e l n f 0 0 ； p u b l i c ： b o o lg e t o p e n s t a t e o ； b o o la p p e n d w a v e ( u n s i g n e dc h a r + s n ，l o n gs n l e n g t h ) ； 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 b o o l f i l l c h a n n e l d a t a o ； 填充音频文件数据 s t a t i cb o o li s w a v e f o r m a t ( l p c t s t rf i l e n a m e ) ；判断文件是否处 于操作中 b o o l 0 p e n f i l e ( l p c t s t rf i l e n a m e ) ； l o n gg e t w a v e l e n g t h 0 ； 获取波形长度，单位是采样点数 w o r d g e t c h a n n e l s 0 ；获取音频频道 b y t e + g e t c h a n n e l d a t a ( i mi n d e x = o ) ；获取各个频道中的具体数据 b y t e + g e t w a v e d a t a 0 ； 得到波形数据 ) ； 其中o p e n f i l e ( l p c t s t rf i l e n a m e ) 函数用于打开指定的波形文件，并将波 形文件的有关数据赋给c w a v e f i l e 的一些私有成员变量，其中w a v e 结构保存 了波形文件的所有属性和数据。w a v e 定义如下： t y p e d e f s t r u c tt w a v e w a v e f i l e a d s t r u c tw a v e f i l e h e a d ；保存w a v e 文件头数据 b y t e 4l p c h a n n e l d a t a 2 ；波形数据分两个通道存储 b y t e + l p w a v e d a t a ；波形数据 w a v e ； 2 、c w a v e p l a y 类 这个类的作用主要是对波形进行播放、暂停、继续、重播、停止、后退、 快进的操作，下面是该类声明中的主要部分。 c l a s sc w a v e p l a y p r i v a t e ： w a v e f o r m a t e xf o r m a t ； ，a v e h d rw a v e h d r 2 ； h w a v e o u th w a v e o u t ； h w a v e l n h w a v e l n ； d w o r d n s a m p l e s p e r s e c ； 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 p u b l i c ： d w o r d d w c u r r e n t p o s i t i o n ； p u b l i c ： b o o lo p e n ( h w n d ，d w o r d ，w o r d ，w o r d ) ； v o i d p l a y d a t a ( b y t e * , d w o r d ) ； d w o r dw a v e o u t g e t p o s i t i o n ( ) ； v o i d p a u s e 0 ； v o i d c l o s e ( ) ； b o o l s t o p o ； p u b l i c ： c w a v e p l a y 0 ； - c w a v e p l a y ( ) ； ) ； 其中o p e n ( h w n d ，d w o r d ，w o r d ，w o r d ) 函数用于打开波形文件， p l a y d a t a ( b y t e * , d w o r d ) 用于播放波形数据，p a u s e ( ) 、c l o s e ( ) 、s t o p ( ) 函 数分别实现播放暂停、关闭音频设备、停止播放功能。w a v e o u t g e t p o s i t i o n ( ) 函数可以获取当前播放音乐的位置，因此在音乐喷泉的实时控制中，可以根据 该函数取得当前正在播放的音频数据，进行实时分析。该函数的实现如下： d w o r d c w a v e p l a y ：w a v e o u t g e t p o s i t i o n ( ) m m t i m em m t i m e ； m m t i m e w t y p e 2 t i m e _ s a m p l e s ； w a v e o u t g e t p o s i t i o n ( h w a v e o u t ，& m m t i m e ，s i z e o f ( m m t i m e ) ) ； d w c u r r e n t p o s i t i o n = m m t i m e u s a m p l e ； r e t u md w c u r r e n t p o s i t i o n ； m m t i m e 结构用于保存不同类型多媒体数据的时间信息。根据 m m t i m e w 聊e 的值，函数w a v e o u t g e t p o s i t i o n ( ) 可以返回用不同时间单位表示 的时间信息。m m t i m e w t y p e 可以取下面几种格式： 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 表4 2m m t i m e 结构的时间格式 t a b l e4 2t i m ef o r m a to f t h em m n m es t r u c t u r e 格式描述 t i m e _ b y t e s 从音频文件头部计算，播放的字节偏移量 t i m em i d im 1 d 1 时间 t i m em s 毫秒 t i m e _ s a m p l e s 音频数据采样点 t i m e _ s m p t e s m p t e ( 动画和电视工程) 时间 t i m e _ _ t i c k s m i d i 流计数 为了取得最大的定位精度，上面的函数实现使用了t i m es a m p l e s 格式， 函数返回当前已播放了多少个音频采样数据。 3 、c w a v e v i e w 类 这是基于m f c 中c v i e w 的类，这个类的作用主要是对鼠标的操作，以及 波形播放控制、波形编辑控制以及与外界文件的交换接e l 等。这个类包含一个 私有( p r i v a t e ) 的c w a v e f i l e 对象和一个保护( p r o t e c t e d ) 的c w a v e p l a y 对象 c w a v e v i e w 是w i n d o w s 消息的接口，通过w i n d o w s 操作系统的消息映射机制， 调用c w a v e f i l e 和c w a v e p l a y 的方法来实现水型编辑的功能。 4 3 运行模块功能与实现 4 3 1 运行模块功能 运行模块根据根据水型编辑模块生成的水型文件执行动作。图4 4 是运行 模块示意图。 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 图4 4 运行模块示意图 f i g4 - 4r u n n i n gm o d e l 运行模块根据生成的水型文件执行动作，只要在歌曲列表中选择好播放歌 曲，点击运行即可。另外在窗口右边设计了一个简单动画的模拟，每条线条代 表一个水柱，线条的高度跟发送到控制端口的数据成一定的比例关系。 4 3 2 运行模块的实现 4 3 2 1w i n d o w s 平台下的精确定时【3 9 】【4 0 】【4 1 】 音乐喷泉控制的实时性要求比较高，需要达到1 0 毫秒级。在m sd o s 平 台下，应用程序能够通过捕获称为“计时器滴答”的b i o s 中断来实现时钟或 计时器，这些中断每5 4 9 1 5 毫秒产生一次，即定时精度。为了达到这个定时精 度，w i n d o w s 下也可以使用定时中断的，但由于w i n d o w s 的保护模式同d o s 的实模式存在差别，w i n d o w s 程序不能直接编写中断服务程序，而是通过d d k 3 0 第四章音乐喷泉控制软件的设计与实现 开发设备驱动，利用设备驱动来实现中断服务程序。采用这种方法比较复杂， 不容易实现。在