摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)的音樂噴泉系統(tǒng)控制采用有線通信方式的局限性,，提出了一種基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的音樂噴泉表演系統(tǒng)的解決方案,。采用嵌入式WiFi控制芯片AX22001完成了音樂噴泉控制系統(tǒng)下位機(jī)控制器的軟、硬件設(shè)計(jì),。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活,、可靠性高、擴(kuò)展性好,、成本低等優(yōu)勢(shì),，并在實(shí)際工程項(xiàng)目測(cè)試中取得了良好的控制效果。
關(guān)鍵詞： 音樂噴泉,；WiFi,；AX22001
音樂噴泉作為一種富有生命力的理想城市景觀，其載歌載舞的水型表演,、絢麗多彩的燈光變化,、優(yōu)雅磅礴的藝術(shù)氛圍，給緊張,、忙碌的現(xiàn)代人帶來清新愉悅的心情,。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人們對(duì)建立綠色城市的向往，音樂噴泉的市場(chǎng)發(fā)展十分迅速,。
WiFi基于IEEE 802.11協(xié)議,，用于組建無線寬帶局域網(wǎng)，其信號(hào)熱點(diǎn)覆蓋范圍達(dá)100~300 m,，數(shù)據(jù)傳輸率高（目前普遍采用的802.11a/g標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到54 Mb/s）,，費(fèi)用低廉,，在實(shí)時(shí)性和傳輸多媒體信息等大數(shù)據(jù)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。
目前,，多數(shù)中小型音樂噴泉以單片機(jī),、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及PLC可編程控制器作為主控制器，對(duì)各控制點(diǎn)使用集中控制方式,。這種控制方法耗費(fèi)大量電纜,，成本較高，不易維護(hù),，只適用于控制點(diǎn)集中分布且數(shù)目不多的場(chǎng)合，而且表演形式固定且不夠豐富,，系統(tǒng)擴(kuò)展和軟硬件升級(jí)困難[2],。
針對(duì)以上情況，本文提出的基于WiFi的音樂噴泉控制系統(tǒng),，采用PC機(jī)或智能移動(dòng)終端作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制,，下位機(jī)部分采用具有WiFi網(wǎng)絡(luò)接口的控制器，兩者通過WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,。這種分布式控制方式不僅節(jié)省了電纜,，降低了成本，而且采用WiFi寬帶網(wǎng)絡(luò)通信方式,，在保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性前提下,，也大大增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并且方便與Internet集成,。
目前應(yīng)用WiFi網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)大多采用WiFi信號(hào)收發(fā)模塊與MCU控制模塊相分離的解決方案,，這就使終端控制器集成度不高，降低了系統(tǒng)可靠性,。本方案以AX22001嵌入式WiFi單芯片MCU為核心,，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制器，并作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的智能控制節(jié)點(diǎn),，軟件內(nèi)含基本表演程序供上位機(jī)調(diào)用,。采用這種分布式控制方法減輕了主控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)效率,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的音樂噴泉控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為4個(gè)部分：中央控制部分,、無線交換機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制器,，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其電氣驅(qū)動(dòng)部分,。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
?。?）中央控制部分：由PC機(jī)或智能終端作為上位機(jī),，運(yùn)行音樂噴泉控制專用軟件,，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制。該部分首先對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,，提取音樂元素生成控制文件,，再將音樂文件和控制文件同步播放，并將音頻數(shù)據(jù)流和控制數(shù)據(jù)流通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)WiFi無線音響設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)控制器,，從而實(shí)現(xiàn)音樂噴泉的現(xiàn)場(chǎng)音樂播放和水型表演,。
（2）無線交換機(jī)：由無線交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)搭建WiFi局域網(wǎng),。
?。?）現(xiàn)場(chǎng)控制器：根據(jù)音樂噴泉的表演形式和現(xiàn)場(chǎng)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分類設(shè)計(jì)開發(fā)出4種音樂噴泉現(xiàn)場(chǎng) 控制器,。①WiFi音頻傳輸控制器,，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)音樂播放；②模擬量輸出控制器,，連接變頻器,，負(fù)責(zé)水泵的調(diào)速；③開關(guān)量輸出控制器,，負(fù)責(zé)對(duì)噴泉電磁閥,、彩燈、照明燈的控制,；④數(shù)碼噴頭控制器,，負(fù)責(zé)對(duì)噴泉多維搖擺噴頭的控制。
這些現(xiàn)場(chǎng)控制器均作為子節(jié)點(diǎn)連接到由無線交換機(jī)搭建的WiFi網(wǎng)絡(luò),，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)（IP）,，分別通過WiFi網(wǎng)絡(luò)獲得上位機(jī)控制指令，然后按照控制協(xié)議對(duì)上位機(jī)控制命令進(jìn)行解析,，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的程序控制,，從而產(chǎn)生不同的水型、燈光和音樂的組合效果,。
?。?）執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其電氣驅(qū)動(dòng)部分：包括驅(qū)動(dòng)電路，以及噴泉多維噴頭,、變頻調(diào)速器,、電磁閥、潛水泵,，噴頭照明燈,，彩燈等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，變頻器采用0~10 V的模擬量控制,，電磁閥和潛水泵等設(shè)備通過24 V DC的開關(guān)量控制,。
2 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器的硬件設(shè)計(jì),，針對(duì)音樂噴泉現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)的不同類型，分類設(shè)計(jì)AX22001控制器的外圍控制電路,，完成無線通信,、數(shù)據(jù)處理和外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制功能。
AX22001是亞信電子開發(fā)的一種雙核8051/80390微控制器（最高主頻80 MHz）,，內(nèi)置TCP/IP和802.11 WLAN MAC/基帶,，包含豐富的外圍接口資源。其中MCPU主要用來運(yùn)行應(yīng)用程序及TCP/IP協(xié)議,，WCPU用于處理WLAN協(xié)議及以太網(wǎng)至無線網(wǎng)封包格式的轉(zhuǎn)換,。該芯片具有用于網(wǎng)絡(luò)及外設(shè)數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)腄MA引擎及專門的內(nèi)存架構(gòu)，同時(shí)支持TCPIP硬件加速器來提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬[3],。該芯片的最大優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)化了以往使用MCU外接WiFi通信模塊的結(jié)構(gòu),，降低了硬件成本。
2.1 WiFi音頻傳輸控制器
硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,，AX22001微控制器通過控制接口SPI和數(shù)據(jù)接口I2S將數(shù)字音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到立體聲音頻編解碼芯片TLV320AIC，對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行解碼后,，再通過音頻電纜向功放音響設(shè)備傳送模擬音頻信號(hào)[4-5],。
2.2 開關(guān)量輸出控制器
音樂噴泉開關(guān)量輸出控制點(diǎn)數(shù)成百上千，本方案設(shè)計(jì)的開關(guān)量輸出控制器提供64路開關(guān)量輸出,，采用8255A可編程并行I/O接口芯片擴(kuò)展AX22001芯片的I/O接口[6],。
2.3 模擬量輸出控制器
音樂噴泉模擬量輸出控制點(diǎn)數(shù)較多，本方案設(shè)計(jì)的模擬量輸出控制器具有12路模擬量輸出,，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832擴(kuò)展AX22001芯片的模擬量輸出控制點(diǎn)[7],。
2.4 數(shù)碼噴頭控制器
音樂噴泉的數(shù)碼噴頭通常由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，一個(gè)稱為平臺(tái)電機(jī),，為噴頭的水平平臺(tái)提供旋轉(zhuǎn),，另有一水平平臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)，控制噴頭在豎直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn),，這種兩自由度的數(shù)碼噴頭可以向任何方向噴水,。控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖個(gè)數(shù)和速率,，即可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)角度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度,，從而控制數(shù)碼噴頭的方向坐標(biāo)和搖擺速度。
本方案設(shè)計(jì)的數(shù)碼噴頭的步進(jìn)電機(jī)控制電路（以驅(qū)動(dòng)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例）主要由Intel8253可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器芯片,、L297步進(jìn)電機(jī)專用控制器,、L298步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片組成。兩組8253+L297+L298分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)[8],。8253通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與AX22001芯片連接,，L297的控制引腳與AX22001芯片的P1口連接。部分參考電路如圖3所示（在實(shí)際應(yīng)用中,，AX22001芯片和8253定時(shí)器芯片與L297芯片之間應(yīng)進(jìn)行光耦隔離）,。
8253的定時(shí)器0和1工作于方式3（方波發(fā)生器方式），對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行兩次分頻,；定時(shí)器2工作于方式0（計(jì)數(shù)結(jié)束中斷方式）,。對(duì)定時(shí)器1和定時(shí)器2寫入不同的計(jì)數(shù)初值，即可控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖速率和步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖個(gè)數(shù)[9],。
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由三大模塊組成：上層應(yīng)用模塊,、網(wǎng)絡(luò)模塊和硬件接口驅(qū)動(dòng)模塊，具體的軟件模塊化結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
上層應(yīng)用模塊包含實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的子模塊,，該模塊通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，通過硬件接口驅(qū)動(dòng)模塊與外圍硬件接口通信,。MCPU主模塊是main（）主函數(shù),，是程序開始執(zhí)行的地方，實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度,。網(wǎng)絡(luò)模塊中的TCP/IP模塊在初始化階段,，通過使用回調(diào)函數(shù)來完成對(duì)上層應(yīng)用模塊的TCP/IP服務(wù)功能。MAC模塊負(fù)責(zé)MCPU子系統(tǒng)與WCPU子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸[10],。上層應(yīng)用模塊中的控制模塊為本軟件系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊,，提供可供上位機(jī)調(diào)用的控制任務(wù)命令接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)接收發(fā)送和控制點(diǎn)的程序控制,。該軟件系統(tǒng)從WiFi網(wǎng)絡(luò)接收到上位機(jī)的一系列數(shù)據(jù)和控制指令,，經(jīng)過各層網(wǎng)絡(luò)模塊的傳送，最后由控制模塊進(jìn)行命令解析,，并從基本表演程序庫中調(diào)用相應(yīng)的表演程序,，進(jìn)行所控區(qū)域的噴泉表演控制。
3.2 總程序流程圖
總程序流程圖如圖5所示,，主函數(shù)首先初始化所有的軟件模塊,，其中包括硬件接口驅(qū)動(dòng)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊,、應(yīng)用程序模塊,。接著程序進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，一些要調(diào)用的模塊任務(wù)重復(fù)執(zhí)行,，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,、數(shù)據(jù)接收發(fā)送和控制輸出功能。
3.3 軟件控制模塊的設(shè)計(jì)
為表現(xiàn)音樂內(nèi)涵,，需要音樂噴泉控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜形式的表演,，而這些復(fù)雜形式的表演是幾類基本表演形式在不同控制點(diǎn)上按空間和時(shí)序的組合表演,。上層應(yīng)用模塊中的控制模塊為針對(duì)噴泉現(xiàn)場(chǎng)控制的核心設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)各控制點(diǎn)的表演控制任務(wù),。因此軟件控制模塊的設(shè)計(jì),，需針對(duì)不同的基本表演形式，編寫各種表演控制函數(shù),，供軟件控制模塊在控制任務(wù)中調(diào)用,。
現(xiàn)以數(shù)碼噴頭控制器為例說明軟件控制模塊的設(shè)計(jì)。圖6為數(shù)碼噴頭控制器軟件控制模塊的一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制任務(wù)流程圖,，其中步進(jìn)電機(jī)的表演方式控制函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)碼噴頭各種形式的擺動(dòng),。此控制程序采用中斷方式為8253定時(shí)器2賦值來控制步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖個(gè)數(shù)。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
圖7為數(shù)碼噴頭軟件控制模塊在Proteus仿真軟件中的仿真結(jié)果圖,。圖中左側(cè)示波器顯示屏中第一行為時(shí)鐘波形,，第三行為步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖波形，第四行為步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入結(jié)束后的中斷信號(hào),，右側(cè)為步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),。
本文現(xiàn)有的噴泉為基于以太網(wǎng)控制的音樂噴泉系統(tǒng)，為了驗(yàn)證本方案的可行性和實(shí)用性,，將所設(shè)計(jì)的控制器加入該系統(tǒng)中,，并對(duì)各種控制任務(wù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器運(yùn)行良好,，達(dá)到了預(yù)期的控制要求。經(jīng)過幾個(gè)月的運(yùn)行,，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,，控制效果良好。
本文針對(duì)傳統(tǒng)噴泉控制系統(tǒng)的不足,，提出了一種基于WiFi控制網(wǎng)絡(luò)的音樂噴泉表演系統(tǒng)的解決方案,，充分利用嵌入式單芯片AX22001的硬件資源，對(duì)4類現(xiàn)場(chǎng)控制器分類進(jìn)行了軟,、硬件設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的WiFi網(wǎng)絡(luò)通信以及噴泉系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制。實(shí)踐證明,，該方案在滿足系統(tǒng)良好的控制效果下,，具有更好的靈活性和可擴(kuò)展性，并能有效地節(jié)省電纜,，降低成本,。
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