摘要：文章結合大型音樂(lè )噴泉的工程實(shí)例，介紹了一種功能強、成本低的分級式結構計算機噴泉控制系統的設計原理和實(shí)施方案。

    噴泉能將水的靈性、音樂(lè )的美感和燈光的色彩完美結合在一起，給人以賞心悅目的感覺(jué)。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展、文化藝術(shù)生活品位的提高，人們對噴泉的技術(shù)含量和藝術(shù)效果也提出了更高的要求。如今，設置在城市廣場(chǎng)等規模較大的噴泉，已不再是采用幾個(gè)按鈕或一些邏輯開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)單控制就能滿(mǎn)足觀(guān)眾日益提高的欣賞水平要求。為此，在工業(yè)自動(dòng)化系統的工程經(jīng)驗基礎上，開(kāi)發(fā)了一套適合音樂(lè )噴泉特點(diǎn)的計算機控制系統。

    1 音樂(lè )噴泉控制概述

    音樂(lè )噴泉工程中安裝有大量的電磁閥門(mén)、彩燈、水泵和產(chǎn)生其它機械動(dòng)作的電機。除個(gè)別變頻水泵需要用模擬信號來(lái)連續調節水柱高度、實(shí)現特定的藝術(shù)效果之外，其它部件基本是通過(guò)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制。這些開(kāi)關(guān)信號驅動(dòng)閥門(mén)、彩燈、水泵隨著(zhù)音樂(lè )進(jìn)行不同的組合，從而產(chǎn)生各種水形和燈光變換效果。為了達到聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)的和諧統一，控制系統應能根據音樂(lè )的節奏、旋律和感情色彩輸出，產(chǎn)生各種不同的狀態(tài)組合來(lái)配合水形和燈光實(shí)時(shí)變化。這也是音樂(lè )噴泉的控制不同于工業(yè)控制的主要特點(diǎn)。

    形成水形的基本通路是由水泵、管道、閥門(mén)和噴頭組成，針對不同水形要求有不同的控制方法。從噴泉的控制來(lái)看基本可分為四類(lèi)：第一類(lèi)水形，啟動(dòng)水泵直接向管道和噴頭加壓，效果是噴頭的水柱在啟動(dòng)和停止時(shí)有一過(guò)渡的升降過(guò)程；第二類(lèi)水形，需要通過(guò)變頻器控制水泵轉速來(lái)實(shí)現一種水柱連續升降的效果；第三類(lèi)水形，在加壓噴水時(shí)啟動(dòng)傳動(dòng)電機控制噴頭搖擺，達到一種花型變換；第四類(lèi)水形，需要在直接啟動(dòng)水泵向管道加壓后，通過(guò)控制器快速地控制大量的電磁閥門(mén)的開(kāi)閉，使噴嘴以各種方式進(jìn)行點(diǎn)射，形成所謂“跑泉”和“跳泉”效果。

    2 矩陣式控制原理

    實(shí)際工程中將上述幾種方式有機地組合起來(lái)實(shí)現多種水形變幻，再配以音樂(lè )和燈光，就可產(chǎn)生豐富多彩的藝術(shù)效果。實(shí)際上，這一過(guò)程從計算機的控制角度來(lái)看就是將一組一維的空間變量e=按照△T時(shí)間間隔順序輸出的過(guò)程。我們可以用一個(gè)控制矩陣[Aij]來(lái)進(jìn)行表述。

    對控制矩陣處理是整個(gè)控制程序的核心。由于硬件驅動(dòng)板卡為16路輸出，[Aij]的列數為16的整數倍，目前系統主控變量設計列數最大為n=256，行數數量不受限制。所以，控制矩陣最大可做到m256，m可以取任意自然數。矩陣[Aij]中第i行元素對應本噴泉工程設

    計中某時(shí)段△T里一個(gè)確定的控制輸出點(diǎn)排列?！鱐的取值范圍是10mS~1S,按lmS間隔可調。矩陣[Aij]的第j列的每個(gè)元素對應控制該點(diǎn)部件的一個(gè)時(shí)間間隔為△T的輸出序列。于是[Aij]的每個(gè)元素Aij對應第j個(gè)被控部件在第i個(gè)時(shí)段的輸出狀態(tài)，Aij=1為開(kāi)啟，反之為關(guān)閉。如果某行元素全為零，表明此時(shí)段整個(gè)系統無(wú)輸出；某列元素全為零表明該部件在工作期間無(wú)輸出(可能是備用通道)。實(shí)際控制矩陣中，行數m是樂(lè )曲的播放時(shí)間和間隔△T取值之比。

    控制矩陣可作為數組存放于計算機內存之中。當噴泉工作時(shí)，在音樂(lè )信號的觸發(fā)下，計算機將并行地按著(zhù)順序逐行取出控制向量，再以△T為時(shí)間間隔向接口輸出。

    控制矩陣的生成可由人工在屏幕上編輯，也可采用可視化的組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現。具體的實(shí)現方法這里不作重點(diǎn)介紹。

    3.控制系統的硬件構成

    較大的噴泉一般均有上百個(gè)控制點(diǎn)，有些廣場(chǎng)噴泉可達到數百甚至上千個(gè)被控點(diǎn)，所以需要采用模塊化的分級式控制系統來(lái)完成工程的全部控制。圖1給出了一個(gè)典型的計算機噴泉控制系統的組成框圖。

    為實(shí)現上述功能，系統在設計上根據不同負載類(lèi)型，將大量的被控對象分為4類(lèi)模塊：

    (1)樂(lè )曲識別與處理模塊。由模擬采集板和音源處理電路組成；

    (2)變頻控制模塊。由D／A輸出板和變頻器組成；

    (3)開(kāi)關(guān)量的直控模塊。用于彩燈、水泵和傳動(dòng)電機等，這是數量最多的模塊；

    (4)分級控制的跑泉模塊。由工控機、開(kāi)關(guān)板和跑泉器構成三級控制結構。

    系統第一級的上位機是本控制系統的核心。由于現場(chǎng)電磁干擾很大，使用環(huán)境比較惡劣，主機需要采用標準工控機。上位機的任務(wù)是實(shí)現人機交互界面，存放音樂(lè )文件，對音頻信號進(jìn)行讀入、分析，對下級的輸出模塊進(jìn)行操作和控制整個(gè)系統的啟停等功能。為完成上位機對各類(lèi)功能部件的控制，機箱內配置了A／D卡、D／A卡和開(kāi)關(guān)量功率輸出板，而且還要保證工控機主板上有足夠的擴展能力。標準板卡配置如下：

    (1)A／D卡，用于音樂(lè )信號的采集和識別，采用12位精度和100KHz轉換速率可滿(mǎn)足需要。計算機對外輸入音樂(lè )信號的讀取只需要強度信息即可，因此在進(jìn)行A／D轉換前還要加上有音樂(lè )信號的幅度包絡(luò )檢波電路；

    (2)D／A卡，用來(lái)輸出模擬信號控制變頻調速器，12位的分辨率和100KHz的轉換速率，輸出控制信號幅度為0~10V，一般有8~16個(gè)通道，為提高抗干擾能力采用光電隔離輸出；

    (3)開(kāi)關(guān)量輸出卡，選用32個(gè)通道的光電隔離功率輸出板，驅動(dòng)能力達24V、50mA，但由于噴泉中的設備均為三相的交流供電，所以后面還要加上一級固態(tài)繼電器的驅動(dòng)板來(lái)驅動(dòng)220V的交流接觸器或電磁閥門(mén)。

    4 跑泉控制器模塊

    由主控機直接控制的部件主要是一些變化復雜的開(kāi)關(guān)量和模擬量。對于如跑泉(又叫跳泉)的閥門(mén)和循環(huán)彩燈等花色變換比較單一、控制點(diǎn)數很多、但要求響應速度又很快的輸出量，可采用下位機分級控制。即由主機發(fā)出控制命令送至下位分機，再由分機根據接收的命令輸出不同的花色信號來(lái)驅動(dòng)閥門(mén)和彩燈。

    大型音樂(lè )噴泉中，水幕跑泉是在近百米的管道上安裝幾十路到上百路的閥控噴嘴，噴泉啟動(dòng)時(shí)近百個(gè)閥門(mén)以幾十毫秒的間隔循環(huán)交替打開(kāi)，形成一種氣勢磅礴的動(dòng)感效果。而且要求跑動(dòng)時(shí)間可調，花形變化及時(shí)。由此可見(jiàn)跑泉控制器在營(yíng)造噴泉藝術(shù)效果中起到了至關(guān)重要的作用。本項目采用專(zhuān)門(mén)設計的，多達256個(gè)控制量的EELab-Ⅱ型嵌入式跑泉控制器?？刂破鳈C箱與工控19英寸標準機柜配套，水形花色在現場(chǎng)可編程。連同配套的軟件已形成完整的產(chǎn)品。并且經(jīng)實(shí)踐證明運行可靠，而成本卻遠遠低于PLC控制器。跑泉控制器的電路框圖如圖2所示。

    跑泉控制器的CPU采用的是單片機，采用電流環(huán)光隔控制輸入。系統的上位機通過(guò)四條控制線(xiàn)送來(lái)16種狀態(tài)控制跑泉控制器的工作。設計這種控制方案除結構簡(jiǎn)單、響應速度快以外，另一優(yōu)點(diǎn)是  對于其它簡(jiǎn)易型噴泉可以直接用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制，省去成本較高的主控計算機。

    跑泉控制器的工作原理與主控機相仿，當單片機接收到某一種控制信號后，按著(zhù)設定的時(shí)間定時(shí)產(chǎn)生中斷，然后順序讀取FLASHROM芯片里的噴泉花形矩陣數據，再通過(guò)地址譯碼分別鎖存到輸出口上，由外圍驅動(dòng)電路板通過(guò)固態(tài)繼電器來(lái)控制跑泉噴頭下方的電磁閥。如果工控機向單片機發(fā)送不同的控制信號，就能快速地實(shí)現各種花形切換?；ㄐ慰刂菩盘栍?位，共計有16個(gè)狀態(tài)，除0FH作為停止信號之外，其余15個(gè)狀態(tài)分別對應15種花形的矩陣。存儲器采用64KB的FLASHROM芯片，如果控制矩陣最大為256x256點(diǎn)，恰好4KB空間安放一種花形。單片機P1，0~P1．3口用于識別4位控制信號但同時(shí)也得到花形矩陣的分區地址代碼。從FLASH相應地址空間調出花形數據，再經(jīng)過(guò)地址分配電路，鎖存到外圍驅動(dòng)電路板上控制電磁閥的開(kāi)閉。本控制器還具有跑泉控制情況實(shí)時(shí)監測功能，除了在前面板用7段數碼管顯示當前花形種類(lèi)，另有128個(gè)與輸出相對應的LED來(lái)實(shí)時(shí)顯示輸出狀態(tài)。

    本工程項目設計了兩組跑泉，每組跑泉要控制115個(gè)電磁閥。為了使控制量每次輸出時(shí)間間隔從5mS到0．5S連續可調，這套設備具有兩種改變時(shí)間間隔的方法：一是通過(guò)FLASHROM寫(xiě)入不同定時(shí)參數，由單片機的定時(shí)中斷實(shí)現，二是通過(guò)設備面板上的電位器手動(dòng)調節。軟件定時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是定時(shí)精確，手動(dòng)調節的優(yōu)點(diǎn)是可根據現場(chǎng)具體效果直接調整。

    本控制器的控制矩陣的輸入具有在線(xiàn)可編程功能。在上位機用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了自動(dòng)生成花形數據的程序，只要給出跑泉路數和花形特征兩類(lèi)參數，就能自動(dòng)生成16進(jìn)制花形數據文件。然后通過(guò)串口向跑泉器主板傳輸已經(jīng)生成的花形數據和時(shí)間間隔數據，使控制器機內的單片機可對FLASH芯片進(jìn)行在線(xiàn)擦除和重新寫(xiě)入。

    5 音頻信號的采集分析及模擬信號變頻控制

    這部分是音樂(lè )噴泉的核心技術(shù)?？刂茋娙耐獠恳纛l信號有多種來(lái)源，其中之一是來(lái)自音響系統的音源輸出。該信號還要經(jīng)過(guò)變換電路放大、濾波、限幅和檢波，變成與音樂(lè )幅度的對數成比例的包絡(luò )檢波信號送到采集卡，其幅值為0~10V。

    模擬信號調控噴水高度的辦法很多，其中最簡(jiǎn)單的是把采集到的音頻信號經(jīng)平滑后再轉換成控制變頻器的模擬輸入電壓，控制水泵的轉速使水形跟隨音樂(lè )節奏的快慢進(jìn)行變化。由外部音源實(shí)現水形跟隨變化的方案如圖3所示。當然要做到水形跟隨音樂(lè )旋律變化，并可靠地保證音樂(lè )起、水形起和音樂(lè )停、水形停絕不簡(jiǎn)單，而是要根據對大量樂(lè )曲音頻信號的分析統計，給出一個(gè)判斷依據和相應的閾值。

    隨著(zhù)近年來(lái)計算機的處理速度大幅提高，在音樂(lè )音質(zhì)滿(mǎn)足要求的前提下可以利用機內硬盤(pán)的WAVE文件來(lái)播放音樂(lè )，使計算機根據WAVE文件的數據實(shí)時(shí)識別音樂(lè )并同時(shí)控制噴泉運行。

    實(shí)際上在上述硬件的基礎上，可以通過(guò)音頻分析軟件，結合一些特殊的處理方法和算法來(lái)產(chǎn)生更適合的控制代碼。本系統上位機軟件中音樂(lè )程控部分的流程圖如圖4所示，限于篇幅本文不再專(zhuān)門(mén)敘述。

    6 結束語(yǔ)

    這套計算機控制系統已經(jīng)成功用于某大學(xué)校園廣場(chǎng)的音樂(lè )噴泉，某省廣播電視臺演播大廳舞臺噴泉項目也正在試用。結果表明：該系統的設計結構合理，安全可靠和控制精度等技術(shù)性能均能滿(mǎn)足實(shí)際要求，而且成本低，使用簡(jiǎn)單方便，效果令人十分滿(mǎn)意。