基于單片機(jī)和FPGA的舞臺吊桿控制器的設(shè)計

　　在舞臺機(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（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)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。