摘  要： 針對傳統(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)下位機控制器的軟、硬件設(shè)計,。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活,、可靠性高、擴展性好,、成本低等優(yōu)勢,，并在實際工程項目測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)濟社會的發(fā)展和人們對建立綠色城市的向往,，音樂噴泉的市場發(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),，其信號熱點覆蓋范圍達100~300 m，數(shù)據(jù)傳輸率高（目前普遍采用的802.11a/g標準可以達到54 Mb/s）,，費用低廉,，在實時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[1]。
　目前,，多數(shù)中小型音樂噴泉以單片機,、工業(yè)控制計算機及PLC可編程控制器作為主控制器，對各控制點使用集中控制方式,。這種控制方法耗費大量電纜,，成本較高，不易維護,，只適用于控制點集中分布且數(shù)目不多的場合,，而且表演形式固定且不夠豐富，系統(tǒng)擴展和軟硬件升級困難[2],。
針對以上情況,，本文提出的基于WiFi的音樂噴泉控制系統(tǒng)，采用PC機或智能移動終端作為上位機實現(xiàn)系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制,，下位機部分采用具有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)的實時性前提下,，也大大增加了系統(tǒng)的可擴展性,，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)計現(xiàn)場控制器，并作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的智能控制節(jié)點,，軟件內(nèi)含基本表演程序供上位機調(diào)用,。采用這種分布式控制方法減輕了主控系統(tǒng)的負擔(dān),，提高了系統(tǒng)效率。
1 系統(tǒng)設(shè)計
　本文設(shè)計的音樂噴泉控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為4個部分：中央控制部分,、無線交換機,、現(xiàn)場控制器，執(zhí)行機構(gòu)及其電氣驅(qū)動部分,。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　（1）中央控制部分：由PC機或智能終端作為上位機,，運行音樂噴泉控制專用軟件,，實現(xiàn)人機界面和系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)控制。該部分首先對音樂信號進行預(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WiFi無線音響設(shè)備和現(xiàn)場控制器,，從而實現(xiàn)音樂噴泉的現(xiàn)場音樂播放和水型表演,。
　（2）無線交換機：由無線交換機作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點搭建WiFi局域網(wǎng),。
?。?）現(xiàn)場控制器：根據(jù)音樂噴泉的表演形式和現(xiàn)場不同的執(zhí)行機構(gòu)，分類設(shè)計開發(fā)出4種音樂噴泉現(xiàn)場　控制器,。①WiFi音頻傳輸控制器,，負責(zé)現(xiàn)場音樂播放；②模擬量輸出控制器,，連接變頻器,，負責(zé)水泵的調(diào)速；③開關(guān)量輸出控制器,，負責(zé)對噴泉電磁閥,、彩燈、照明燈的控制,；④數(shù)碼噴頭控制器,，負責(zé)對噴泉多維搖擺噴頭的控制。
　這些現(xiàn)場控制器均作為子節(jié)點連接到由無線交換機搭建的WiFi網(wǎng)絡(luò),，每個子節(jié)點有一個唯一的標識（IP）,，分別通過WiFi網(wǎng)絡(luò)獲得上位機控制指令，然后按照控制協(xié)議對上位機控制命令進行解析,，實現(xiàn)對執(zhí)行機構(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)行機構(gòu)及其電氣驅(qū)動部分：包括驅(qū)動電路,，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
　本系統(tǒng)現(xiàn)場控制器的硬件設(shè)計,，針對音樂噴泉現(xiàn)場控制點的不同類型，分類設(shè)計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)點在于其簡化了以往使用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,，對數(shù)字音頻信號進行解碼后，再通過音頻電纜向功放音響設(shè)備傳送模擬音頻信號[4-5],。

2.2 開關(guān)量輸出控制器
　音樂噴泉開關(guān)量輸出控制點數(shù)成百上千,，本方案設(shè)計的開關(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數(shù)較多,，本方案設(shè)計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擴展AX22001芯片的模擬量輸出控制點[7],。
2.4 數(shù)碼噴頭控制器
　音樂噴泉的數(shù)碼噴頭通常由兩個步進電機控制,，一個稱為平臺電機，為噴頭的水平平臺提供旋轉(zhuǎn),，另有一水平平臺上的步進電機,，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,?？刂撇竭M電機的輸入脈沖個數(shù)和速率,，即可控制步進電機的運轉(zhuǎn)角度和運轉(zhuǎn)速度，從而控制數(shù)碼噴頭的方向坐標和搖擺速度,。
　本方案設(shè)計的數(shù)碼噴頭的步進電機控制電路（以驅(qū)動兩相混合式步進電機為例）主要由Intel8253可編程定時/計數(shù)器芯片、L297步進電機專用控制器,、L298步進電機專用驅(qū)動芯片組成,。兩組8253+L297+L298分別驅(qū)動兩個平臺的步進電機[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（在實際應(yīng)用中，AX22001芯片和8253定時器芯片與L297芯片之間應(yīng)進行光耦隔離）,。

　8253的定時器0和1工作于方式3（方波發(fā)生器方式）,，對時鐘信號進行兩次分頻；定時器2工作于方式0（計數(shù)結(jié)束中斷方式）,。對定時器1和定時器2寫入不同的計數(shù)初值,，即可控制步進電機的輸入脈沖速率和步進電機的輸入脈沖個數(shù)[9]。
3 軟件設(shè)計
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)來完成對上層應(yīng)用模塊的TCP/IP服務(wù)功能,。MAC模塊負責(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)計模塊,，提供可供上位機調(diào)用的控制任務(wù)命令接口,，實現(xiàn)數(shù)字音頻數(shù)據(jù)接收發(fā)送和控制點的程序控制。該軟件系統(tǒng)從WiFi網(wǎng)絡(luò)接收到上位機的一系列數(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)動模塊,、網(wǎng)絡(luò)模塊,、應(yīng)用程序模塊。接著程序進入一個循環(huán),，一些要調(diào)用的模塊任務(wù)重復(fù)執(zhí)行,，實現(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
　為表現(xiàn)音樂內(nèi)涵,，需要音樂噴泉控制點進行復(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上按空間和時序的組合表演,。上層應(yīng)用模塊中的控制模塊為針對噴泉現(xiàn)場控制的核心設(shè)計模塊,，實現(xiàn)各控制點的表演控制任務(wù)。因此軟件控制模塊的設(shè)計,，需針對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,。圖6為數(shù)碼噴頭控制器軟件控制模塊的一個步進電機控制任務(wù)流程圖，其中步進電機的表演方式控制函數(shù)用于實現(xiàn)數(shù)碼噴頭各種形式的擺動,。此控制程序采用中斷方式為8253定時器2賦值來控制步進電機的輸入脈沖個數(shù),。

4 實驗測試
　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鐘波形,，第三行為步進電機輸入脈沖波形,，第四行為步進電機脈沖輸入結(jié)束后的中斷信號，右側(cè)為步進電機當(dāng)前運行狀態(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),，為了驗證本方案的可行性和實用性，將所設(shè)計的控制器加入該系統(tǒng)中,，并對各種控制任務(wù)進行了測試,，結(jié)果表明所設(shè)計的控制器運行良好，達到了預(yù)期的控制要求,。經(jīng)過幾個月的運行,，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制效果良好,。
本文針對傳統(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4類現(xiàn)場控制器分類進行了軟,、硬件設(shè)計，實現(xiàn)了與上位機的WiFi網(wǎng)絡(luò)通信以及噴泉系統(tǒng)現(xiàn)場控制。實踐證明,，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展性，并能有效地節(jié)省電纜,，降低成本,。
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