數字化舞臺布光燈具控制器的設計

摘要：介紹了舞臺布光系統中的重要部件——數字化燈具控制器的設計思想和實現方案，采用流行的CAN總線實現了分布式控制，利用模糊控制算法實現了燈具各自由度的穩定的位置伺服。

    關鍵詞：現場總線 CAN 模糊算法

隨著廣播電視事業的不斷發展，電視節目的制作越來越多樣化，對演播廳的功能及技術要求也越來越高。舞臺布光系統是演播設備的重要組成部分，它的作用是通過對垂直吊桿、機械化燈具的多動作控制，利用聚光燈、柔光燈等設備進行大面積的燈光投射，制造滿足攝像機光度要求的背景光線。

綜藝演播廳的規模目前正逐步擴大，從600m2增加到了1000m2、1500m2，直至2000m2。一個1000m2的演播廳需要500～600盞各式燈具。如果采用集中式控制，勢必造成控制電腦重負，現場布線混亂，因此新型的布光系統均采用分布式控制，燈光師在控制臺前操作，控制臺利用現場總線將控制信息下發，提升機控制器和燈具控制器接收指令后自動運行到設定的位置和角度，完成位置伺服。 本文主要介紹舞臺布光系統中的重要部件--基于現場總線的數字化燈具控制器的設計思想和實現方案。

1 整體方案

本文介紹的燈具控制器具備5個自由度的控制能力：水平、俯仰、調焦、左扉和右扉(左扉、右扉指燈具前方用于遮擋光路的扉頁)，同時具備過流檢測、超速檢測、傳感器失效檢測等功能，并且可以與控制臺進行雙向通訊，接收控制臺發來的指令或上報燈具狀態。

燈具控制器主要由位置測量、電機驅動、CAN總線通信接口等功能模塊組成，整體方案如圖1所示。它采用基于8051內核、內置A/D轉換電路的80C552作為主CPU。

燈具各自由度輸出轉軸裝有線性型精密電位器進行位置測量(對于調焦測量，使用齒輪齒條機構將直線位移轉換為角度位移)。電位器的活動范圍為270度，使用10bitA／D轉換器，最高理論精度為270度／210=0．263度。

CPU將實測位置和控制臺傳來的設定位置進行比較，計算出應如何驅動伺服電機。

電機的控制電路采用PWM方式，每個電機由一個H橋驅動，效率高、發熱小、易于調試。由于要控制5個直流減速電機，因此需要5組雙相共10路PWM信號，由一片10通道PWM芯片生成。該芯片實際上是由新型的高速AVR單片機AT90s2313構成的虛擬外設，通過軟件編程仿真PWM功能。80C552利用串口將各個通道的PWM值發送給AT90s2313，AT90s2313在內存中生成相應的PWM信號序列，定時向外輸出，實測PWM重復頻率為9．8kHz。程序中設計了特定算法，可以保證功率驅動模塊的某個橋臂關斷后，對側橋臂要延時一段時間才會開通，避免由于開關速度的影響導致上下橋臂直通。

由于直流電機的啟動電流和換向電流遠大于正常工作電流，過高的啟動電流除了會造成系統成本增加外，還有可能燒毀換向器；另外，直流電機的電磁力矩與電流成正比，過高的啟動力矩也對機械結構的穩定不利。因此，在電路中設計了過流斬波裝置來限制啟動電流。

使用現場總線進行分布式控制是本系統的主要特色之一，本方案中選用了CAN總線，燈具對外連線除電源線外，只有一根屏蔽式雙絞線，布線方便、成本低廉、擴展

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