在舞臺機(jī)械設(shè)備中，吊桿起著重要的作用^[1],。在大型的影劇院,，一場演出往往需要調(diào)動大量的舞臺背景，有時要控制多達(dá)64路的吊桿同時動作,。操作人員要在現(xiàn)場不斷變換舞臺背景,，控制室人員要不斷地和現(xiàn)場人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，這給舞臺控制帶來了很大不便,。對吊桿的集中控制,、實時響應(yīng)來自多路的請求及吊桿位置的精確定位是設(shè)計中要解決的三個關(guān)鍵問題。目前的舞臺控制系統(tǒng)大都通過采用光電編碼盤產(chǎn)生脈沖信號的方式來獲取吊桿的移動距離,，并直接用單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)和控制,。這種方法在響應(yīng)多路請求時，往往會因為單片機(jī)任務(wù)繁重而造成計數(shù)脈沖丟失,，引起測量誤差,。綜上所述，本文提出了用CYGNAL單片機(jī)和FPGA設(shè)計舞臺吊桿控制器的方法,。
1 舞臺吊桿控制系統(tǒng)的組成及工作原理
　　舞臺吊桿控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制端" title="控制端">控制端(PC機(jī)),、舞臺吊桿控制器、現(xiàn)場設(shè)備,、LCD顯示器等組成,，如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),。遠(yuǎn)程控制端作為管理機(jī),，負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)現(xiàn)場設(shè)備，通過局域網(wǎng)使用UDP/IP協(xié)議發(fā)送控制指令并采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),；舞臺吊桿控制器作為終端,，接收遠(yuǎn)程控制端送來的指令，并根據(jù)接收到的控制命令控制現(xiàn)場設(shè)備動作,，采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后把數(shù)據(jù)以UDP格式打包送給遠(yuǎn)程控制端,，以便遠(yuǎn)程控制端實時進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。同時為使現(xiàn)場能夠觀察到單個設(shè)備的運行情況,，還把這些數(shù)據(jù)通過串口" title="串口">串口送給現(xiàn)場LCD顯示器,。
2 舞臺吊桿控制器的硬件設(shè)計
　　在整個控制系統(tǒng)中,，舞臺吊桿控制器是設(shè)計的關(guān)鍵,，它的功能有兩個：其一,，接收與發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包,，解析數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)化成FPGA控制器能夠識別的格式,。其二，接收FPGA控制器送來的現(xiàn)場信息,。
2.1 舞臺吊桿控制器的硬件組成及工作原理
　　舞臺吊桿控制器主要由C8051F020單片機(jī)、FPGA控制器,、LCD顯示器、E²PROM存儲器,、RTL8019網(wǎng)卡芯片和JTAG程序下載及調(diào)試接口等組成,。其硬件組成框圖如圖2所示,。

　　工作原理如下：C8051F020單片機(jī)通過RTL8019網(wǎng)卡芯片接收遠(yuǎn)程控制端送來的UDP格式的控制命令數(shù)據(jù)包,，從該控制命令數(shù)據(jù)包解析出控制指令，傳輸給FPGA控制器,。FPGA控制器根據(jù)控制指令控制現(xiàn)場設(shè)備動作,，并且把相關(guān)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回給單片機(jī),。單片機(jī)把這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入E²PROM中作為備份數(shù)據(jù),，同時送給LCD顯示器，并打成UDP數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)卡芯片發(fā)送給遠(yuǎn)程控制端,。下面主要介紹單片機(jī)控制系統(tǒng)和FPGA控制器的設(shè)計,。
2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)
　　單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)組成,，主要完成數(shù)據(jù)的接收與處理,。C8051F020的特點是運算速度快,、集成度高、引腳可配置,、工作穩(wěn)定和可靠性高^[5],。它完全能夠滿足舞臺吊桿控制器對存儲器容量、多種總線接口,、處理速度和浮點運算等方面的要求,。
　　C8051F020單片機(jī)有UART0和UART1兩個串口,，其中，串口UART0與LCD顯示器連接,，用于把舞臺吊桿運行時的位置數(shù)據(jù)送給LCD顯示器。單片機(jī)利用它的SMBUS接口連接帶有I²C總線接口的E²PROM(FM24C64鐵片存儲器),，把現(xiàn)場數(shù)據(jù)存入存儲器,，以備在掉電后重新上電時能夠讀出吊桿的當(dāng)前位置，連續(xù)控制吊桿的運動,；同時利用它的普通I/O口與網(wǎng)卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
2.3 FPGA控制器的設(shè)計
　　FPGA控制器是利用EDA方法實現(xiàn)的,，主要用于對從霍爾傳感器過來的脈沖進(jìn)行計數(shù)并控制電機(jī),。由于吊桿運動過程中產(chǎn)生的脈沖頻率高，F(xiàn)PGA控制器計數(shù)量大,，所以本設(shè)計選擇了高容量,、高性能的可編程邏輯器件，即ALTERA公司的FLEX 10K 系列FPGA,。
2.3.1 FPGA控制器的模塊劃分
　　根據(jù)系統(tǒng)功能要求,，F(xiàn)PGA控制器的頂層模塊被劃分為以下四個模塊：兩個5-32譯碼器、八路與門模塊,、八路16位可逆并行計數(shù)模塊,、電機(jī)控制模塊，如圖3所示,。

　　兩個5-32譯碼器模塊的功能是提供與單片機(jī)的接口,，實現(xiàn)可編程接口邏輯。八路計數(shù)模塊(COUNTER8_FILE_LAST模塊)包括八個單路計數(shù)模塊,、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊等,，其功能是對霍爾傳感器過來的八路脈沖信號進(jìn)行可逆計數(shù)并完成16位數(shù)據(jù)與8位數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。由于C8051F020單片機(jī)的數(shù)據(jù)長度是8位,，而計數(shù)模塊完成的是16位計數(shù),，所以必須進(jìn)行數(shù)據(jù)位數(shù)的轉(zhuǎn)換。
2.3.2 FPGA模塊的功能仿真
　　FPGA控制器是用ALTERA公司的FLEX10K10芯片,，在MAX+PLUSII軟件中進(jìn)行設(shè)計綜合的,。根據(jù)上述的模塊劃分，在MAX+PLUSII中的仿真波形圖如圖4所示,。

3 舞臺吊桿控制器的軟件設(shè)計
　　舞臺吊桿控制器的軟件主要包括：主程序,、UDP數(shù)據(jù)的傳輸與解析程序、串口數(shù)據(jù)的發(fā)送程序,、數(shù)據(jù)存儲程序等,。
3.1 通信協(xié)議設(shè)計
　　在舞臺吊桿控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制端通過局域網(wǎng)采用UDP/IP協(xié)議給舞臺吊桿控制器發(fā)送命令并接收來自控制器的數(shù)據(jù)包。UDP/IP數(shù)據(jù)包的格式如下：

　　
　　在使用該協(xié)議時,，命令信息和狀態(tài)數(shù)據(jù)都在UDP DATA 數(shù)據(jù)區(qū),。為了完成控制目的，必須對這塊數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)制定協(xié)議,，協(xié)議格式如表1所示,。

3.2 主程序設(shè)計
　　主程序主要完成單片機(jī)和各個功能模塊的初始化、對各個功能模塊的調(diào)用以及對FPGA控制器的控制,。由于篇幅關(guān)系,，只給出主程序的流程圖，如圖5所示,。