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          基于嵌入式的舞台机械控制系统设计                    杭州佳合舞台设备有限公司浙江杭州310009摘要：随着人们文化生活水平的提高，对舞台演出节目的质量要求越来越高舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势在舞台机械控制系统设计方面，国内主要采用国外的PLC系统，但PLC在速度和灵活性方面远远不能和可定制化的嵌入式系统相比较，所以把基于嵌入式的现代智能控制技术应用与舞台机械控制中已经是舞台现在包括未来发展的一个趋势本文简单介绍了舞台机械控制系统需求与设计现状，并介绍了两种基于嵌入式的舞台机械控制系统设计关键词：嵌入式；舞台；机械控制一、舞台机械控制系统需求与设计现状舞台设备主要分为吊杆和地面设备吊杆是每一个舞台都必须有的空中升降设备，用来升降和吊挂演出中需要的幕景、灯光设备，甚至演员地面设备一般包括水平移动的车台，垂直升降的升降舞台及升降加旋转的旋转舞台还有一些如大幕机，音乐反射板、活动台口等所有这些设备，都要求能够精确定位，有上下(左右)限位，定点停车，数据自动保存，断电记忆能够可靠地工作在舞台上所有灯光及舞台设备工作时所产生的强干扰状态中近年来，随着科学技术的进步，生活水平的提高，人们对演出质量和演出效果提出了更高的要求，舞台设备随即也出现了令人眼花缭乱的更新换代，越来越多的大型、中型剧场安装了升降乐池、升降舞台、移动车台，再加上数十道吊杆及活动台口、音乐反射板等，仅其耗费的钢铁重量就在数百吨甚至千吨以上。

大型、高速、电动机械化设备，安全、精确、可靠的控制，是现代化舞台系统的基本要素为了提高可靠性，在舞台控制设备中，过去人们多选用PLC作为控制器，但是作为面向大多数工业应用场合而设计的PLC，应用在舞台设备控制时，在设计中感到不够灵活，虽然有一些扩展模块可供选择，但成本却会大幅攀升而基于嵌入式的舞台机械控制系统，采用多重网络通信，较好的解决了当前舞台系统架构混乱、成本高、控制精度低，难以形成大型系统的难题嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板事实上，所有带有数字接口的设备，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑二、基于嵌入式的舞台机械控制系统设计基于嵌入式的舞台机械控制系统设计能够使舞台设备的控制更趋向于智能化、网络化、人性化的要求，可定制性获得了极大的增强本文在这里介绍两种嵌入式的舞台机械控制系统（一）基于ARM的舞台电脑灯步进电机控制系统传统方法采用单片机控制步进电机，但由于单片机的系统资源、运算速度和存储空间的限制，每个单片机控制的步进电机的数量较少，而每台电脑灯往往需要很多步进电机。

在这里介绍一种基于ARMLinux的舞台电脑灯步进电机控制系统系统的总体结构见图l系统设计的最终目的是把目标板嵌入到电脑灯中,电脑灯控制台发送指令给目标板,目标板通过网口接收命令,经ARM内部处理后,通过步进电机驱动电路,产生步进电机所需的脉冲信号,控制电脑灯完成相应的动作目标板主要包括:AT91RM9200,保证目标板运行的基本条件(电源、晶振、复位),存储器设备(flash、SDRAM),通信设备(以太网、DEBUG、RS-422),控制设备和检测设备(步进电机驱动、码盘检测)AT91RM9200是目标板的核心,它是完全围绕ARM920T处理器构建的处理器,有丰富的应用外设及标准的接口,从而为低功耗、低成本、高性能的计算机应用提供了解决的方案由于AT91RM9200的内部存储单元有限,所以需要外扩存储器flash存储器是掉电后信息不丢失的存储器,本系统中采用flash来存储程序和掉电后需要保存的数据由于SDRAM的成本低并且存储速度快的优点,本系统选用SDRAM作为程序的运行空间、数据及堆栈区本系统要求电脑灯与控制台通过以太网通信,接收控制台的命令,因此在系统电路设计时需要有以太网接口电路。

为了兼容只有串口的控制台,增设l个串口RS-422DEBUC调试单元为系统所有调试功能提供了l个单人口点步进电机的运行需要有驱动电路舞台电脑灯控制系统中,为了防止步进电机漏步而造成精度不高.采用码盘作感器,通过码盘接口电路将步进电机的位置信息反馈给AT91RM9200,与控制台给出的命令相比较,以保证电脑灯按照要求到达指定位置本系统经过调试、应用，完全满足舞台电脑灯的性能要求，具有明显的优势与传统的单片机电脑灯控制系统相比，一台电脑灯只用一片RAM处理器CPU，而单片机系统可能需要3—5片CPU，硬件电路简单，线路板面积减小，可靠性提高本系统采用RAM处理器后，接口丰富，运算速度加快，系统功能加强对步进电机驱动准确，不会出现控制转速脉冲丢失现象本系统采用RAM处理器后，不但保留串行接口，而且增加了网络接口，可以与PC机联网使用，可以满足新型电脑灯的网络协议本系统软件采用Linux操作系统，负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度，它在实时性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用等方面，而51单片机系统无法比拟经过试验，本系统运行稳定，操作方便，完全满足舞台电脑灯的功能要求本系统采用ARM处理器移植Linux操作系统作为控制系统的核心，用键盘来控制电脑灯中的步进电机，共同构成了先进的舞台电脑灯控制系统。

经过对系统硬件和软件的设计、调试，结果不但可以满足对电脑灯控制系统严格的实时性和准确性的要求，同时证明Linux下的驱动对步进电机稳定性和可靠性更佳二）嵌入式系统RCM2100基于嵌入式的舞台机械控制系统采用分布式架构，具有结构清晰，可靠性高，操作灵活、便捷的优点同时，比较经济地实现了软件及硬件的模块化和可扩展性，能满足大中小剧场舞台机械的控制要求在设计当中，采用嵌入式系统RCM2100作为上位机的中心控制单元，下位PLC控制可以精确的定位吊杆位置和无级调速；对舞台控制系统的远程监控是基于In—temet互联网基础上的采用具有TCP／IP功能的新型嵌入式处理器舞台控制监控监测系统分两部分，下位机部分采用PI，CSI，C5／05控制系统，分别控制电机升降、位置检测等系统；上位机采用采Rabbit2000的最小系统——RcM2100系统开发板，它是Rabbit半导体公司在Z80微处理器基础上专门为嵌入式应用开发的一种高性能8位微处理器下位PLC接收上位RCM2100控制系统参数后，系统检测外部反馈正常，PLC输出模拟量给变频器，开关量打开制动器，设备将按控制参数要求运行计数器模板不断累计编码器反馈信号，通过比较、PID运算，调整变频器的速度给定。

实现吊杆无级调速和准确定位对于相应反馈，系统具有完善保护功能，确保吊杆运行的安全性和可靠性，从而保证了吊杆运行的精确性网络传输控制单元基于RTL8019以太网驱动芯片构建RTI，8019芯片的数据收发通过DMA方式，是全双IT的高集成度网络控制器，该控制器支持即插即用功能RCM2100开发系统的网络传输模块基于IEEEE802，3和TCP／IP协议构建，允许与Internet或Ethernet进行即时连接，从而实现了舞台控制系统和外部网络的直接通讯，解决了监控设备和通讯网络的接口问题，为实现基于WEB的远程监控提供了底层的硬件互联该模块具有速度达30MHz的Rabbit2000微处理器、512K的FlashRAM和SRAM数据存储器，并具有记忆部分外部地址的功能另外，系统还具有RJ—45以太网接口、5个8位并行口，可分别与以太网卡控制芯片、RS485、RS232串口进行数据通信为了方便各种数据的采集和处理，我们为该模块设计了四种外部接口：串口、I／0口、A／D和D／A在该系统当中，现场节点可以包括传感器、执行机构和其他智能仪表、控制器，通过RS485、开关量、模拟信号和仪表相连参考文献[1]赵灯.基于AVR单片机的舞台机械设备控制器[J].仪器仪表用户,2006年6期.[2]盛敏.虚拟现实技术与虚拟局域网技术在舞台机械控制中的应用[J].演艺科技,2012年3期.  -全文完-。