作者：王金海 張麗麗 王華平 孟 菊

　　摘要：介紹了舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)組成該系統(tǒng)的舞臺(tái)吊桿控制器進(jìn)行了研究，論述了其工作原理，提出了用CYGNAL單片機(jī)和FPGA設(shè)計(jì)該控制器的方法�；赟OC的設(shè)計(jì)思想，完成了該控制器的硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)，提出了控制系統(tǒng)中的位移測(cè)量方法，并對(duì)電機(jī)慣性引起的誤差提出 了補(bǔ)償方法；同時(shí)針對(duì)該系統(tǒng)采取了相應(yīng)的抗干擾措施，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，實(shí)際應(yīng)用證明，此控制器抗干擾能力強(qiáng)，吊桿位置控制精確，且安全可靠。

   關(guān)鍵詞：舞臺(tái)吊桿控制器FPGA 誤差補(bǔ)償 位置控制

　　在舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備中，吊桿起著重要的傷腦筋。在大型的影劇院，一場(chǎng)演出往往需要調(diào)動(dòng)大量的舞臺(tái)背景，有時(shí)要控制多達(dá)64路的吊桿同時(shí)動(dòng)作。操作人員要在現(xiàn)場(chǎng)不斷變換舞臺(tái)背景，控制室人員要不斷地和現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，這給舞臺(tái)控制帶來了很大不便。對(duì)吊桿的集中控制、實(shí)時(shí)響應(yīng)來自多路的請(qǐng)求及吊桿位置的精確定位是設(shè)計(jì)中要解決的三個(gè)關(guān)鍵問題。目前的舞臺(tái)控制系統(tǒng)大都通過采用光電編碼盤產(chǎn)生脈沖信號(hào)的方式來獲取吊桿的移動(dòng)距離，并直接用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)和控制。這種方法在響應(yīng)多路請(qǐng)求時(shí)，往往會(huì)因?yàn)閱纹瑱C(jī)任務(wù)繁重而造成計(jì)數(shù)脈沖丟失，引起測(cè)量誤差。綜上所述，本文提出了用CYGNAL單片機(jī)和FPGA設(shè)計(jì)舞臺(tái)吊桿控制器的方法。

    
　　1 舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)的組成及工作原理

　　舞臺(tái)吊桿控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制端（PC機(jī)）、舞臺(tái)吊桿控制器、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)數(shù)據(jù)；舞臺(tái)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(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，采集到現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。同時(shí)為使現(xiàn)場(chǎng)能夠觀察到單個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。還把這些數(shù)據(jù)通過串口送給現(xiàn)場(chǎng)LCD顯示器。

　　2 舞臺(tái)吊桿控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　在整個(gè)控制系統(tǒng)中，舞臺(tái)吊桿控制器是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它的功能有兩個(gè)：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(shí)別的格式。其二，接收FPGA控制器送來的現(xiàn)場(chǎng)信息。

　　2．1 舞臺(tái)吊桿控制器的硬件組成及工作原理

　　舞臺(tái)吊桿控制器主要由C8051F020單片機(jī)、FPGA控制器、LCD顯示器、E2PROM存儲(chǔ)器、RTL8019網(wǎng)卡芯片和JTAG程序下載及調(diào)度接口等組成。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(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，并且把相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)。單片機(jī)把這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存入E2PROM中作為備份數(shù)據(jù)，同時(shí)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(jì)。

　　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(diǎn)是運(yùn)算速度快、集成度高、引腳可配置、工作穩(wěn)定和可靠性高。它完全能夠滿足舞臺(tái)吊桿控制器對(duì)存儲(chǔ)器容量、多種總線接口、處理速度和浮點(diǎn)運(yùn)算等方面的要求。

　　C8051F020單片機(jī)有UART0和UART1兩個(gè)串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺(tái)吊桿運(yùn)行時(shí)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(chǔ)器），把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，以備在掉電后得新上電時(shí)能夠讀出吊桿的當(dāng)前位置，連續(xù)控制吊桿的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用它的普通I/O口與網(wǎng)卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　2．3 FPGA控制器的設(shè)計(jì)

　　FPGA控制器是利用EDA方法實(shí)現(xiàn)的，主要用 于對(duì)霍爾傳感器過來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并控制電機(jī)。由于吊桿運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的脈沖頻率高，F(xiàn)PGA控制器計(jì)數(shù)量大，所以本設(shè)計(jì)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
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