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布光系統(tǒng)是廣泛應(yīng)用于電視演播廳、電影攝影柵、體育場館以及舞廳的一種機(jī)械化照明燈具有其控制系統(tǒng)，是為增強(qiáng)舞臺藝術(shù)效果的一種燈光控制設(shè)備。目前，布光系統(tǒng)存在的問題是：人機(jī)界面差，操作復(fù)雜；不能實(shí)時檢測故障部位及原因，系統(tǒng)故障率大，難以維護(hù)；不能實(shí)現(xiàn)對被控對象的全部控制，只實(shí)現(xiàn)了單一、局部控制；缺乏形象的吊桿、燈具動作顯示。 本文介紹的布光監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)字化分布嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)布光任務(wù)。在布光系統(tǒng)中采用其于Windows CE的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時性好，可靠性高；速度快，大容量的特性可以適應(yīng)不斷增長的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需求；體積小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便靈活，設(shè)備和軟件成本大幅下降；基于Windows的嵌入式開發(fā)技術(shù)相對普及，人才成本下降。 1 系統(tǒng)概述 應(yīng)用于布光系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)字雙向串行通訊控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由控制臺、網(wǎng)絡(luò)控制器、提升設(shè)備、燈具控制器四部分組成。其中控制臺由專用控制臺、備份控制臺和無線遙控三部分構(gòu)成；網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，包括控制臺向下傳輸命令和下位機(jī)傳感器信號的返回，同時負(fù)責(zé)各控制臺之間的切換；提升設(shè)備由提升機(jī)控制器、提升機(jī)和吊桿構(gòu)成；燈具控制器控制燈具實(shí)現(xiàn)不同的動作。 主控臺是系統(tǒng)的主要控制平臺，硬件由PC/104和液晶顯示器組成，同時使用Microsoft的Windows CE操作系統(tǒng)。備份控制臺由普通PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，刪減主控制臺功能，保留部分必要的功能，起到備份數(shù)據(jù)和輔助控制的作用。遙控器是手掛式輔助控制器，在100m內(nèi)可以可靠有效地控制系統(tǒng)。無線遙控模塊采用單片無線收發(fā)一體芯片nRF401。該芯片具有低發(fā)射功率和高接收靈敏度的特點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)主控臺、備份臺、遙控器三個控制臺直接控制權(quán)力的分配，同時負(fù)責(zé)由上而下控制命令的傳輸以及傳感器信息由下而上的傳遞。網(wǎng)絡(luò)控制器與主控臺和備份臺之間的通信分別采用RS-232串口和CAN總線實(shí)現(xiàn)。CAN總線具有抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高的特點(diǎn)。 被控節(jié)點(diǎn)有兩種：一種是提升機(jī)控制器，采用變頻調(diào)速控制；另一種是燈具控制器。網(wǎng)絡(luò)控制器與被控節(jié)點(diǎn)之間通過CAN總線進(jìn)行通信。系統(tǒng)可控路數(shù)需達(dá)到1000路。因此，為了擴(kuò)展CAN網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，6個CAN總線中轉(zhuǎn)器與網(wǎng)絡(luò)控制器相連，每個中轉(zhuǎn)器下接6個CAN子網(wǎng)，共有36個CAN總線子網(wǎng)。 2 Windows CE簡介及其特點(diǎn) 主控制臺的操作系統(tǒng)采用微軟公司的嵌入式Windows CE 3.0。Windows CE是一種緊湊、高效、可伸縮的操作系統(tǒng)。主要面向各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品。它具有多線程、多任務(wù)、完全搶點(diǎn)式的特點(diǎn)，是專門為各種有很嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。它的模塊化設(shè)計(jì)使嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用應(yīng)用開發(fā)者能夠方便地定制以適應(yīng)一系列不同的產(chǎn)品。Windows CE操作系統(tǒng)包括以下主要模塊： （1） 內(nèi)核模塊，支持進(jìn)程和線程處理及內(nèi)存管理等基本服務(wù)； （2） 內(nèi)核系統(tǒng)接口模塊，允許應(yīng)用軟件訪問操作系統(tǒng)； （3） 文件系統(tǒng)模塊，支持持久穩(wěn)固的信息存儲； （4） 圖形窗口和事件子系統(tǒng)模塊，控制圖形和Windows相關(guān)的圖形用戶界面； （5） 通信模塊，允許同其他設(shè)備進(jìn)行信息交換。 Windows CE支持多種外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏、串行口、以太網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、USB設(shè)備、單頻設(shè)備、并行口、打印機(jī)和存儲設(shè)備。Windows CE支持超過1000個常用的Microsoft Win32 API和一些附加的編程接口，可用于開發(fā)應(yīng)用程序。這些接口包括COM、MFC、ATL等。此外，Windows CE支持用于管理時間關(guān)鍵任務(wù)響應(yīng)的實(shí)時處理；各種串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，包括支持USB；為Windows CE用戶提供Web服務(wù)的移動頻道；用于進(jìn)程間通信的Automation和其他方法；還支持管理可安裝設(shè)備等可選組件。 對于Windows CE而言，原始設(shè)備制造商（OEM）能開發(fā)硬件適配層OAL（OEM Adaptation Layer），其他開發(fā)者可以開發(fā)內(nèi)部驅(qū)動程序、可安裝驅(qū)動程序及運(yùn)行在嵌入式設(shè)備上的應(yīng)用程序。獨(dú)立軟件提供商ISV(Independent Software Vendor)能獨(dú)立于硬件平臺開發(fā)應(yīng)用軟件： （1） 32位多線程、多任務(wù)、完全抑占式的操作系統(tǒng)； （2） 強(qiáng)大的圖像顯示功能支持，用戶能定制完全自己風(fēng)格的操作界面； （3） 支持大部分Win32 API，使得基于其他Windows的應(yīng)用程序地 方便地移值到Windows CE上； （4） 體積小，并能夠從ROM直接啟動，無需硬盤，不存在系統(tǒng)崩潰和病毒感染問題。 Windows CE是為便攜式電腦設(shè)計(jì)的新型平臺。它提供Windows操作系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)子集。同時，微軟公司為Windows CE的開發(fā)提供了一套完整且功能強(qiáng)大的系列工具，從硬件調(diào)試到軟件開發(fā)都為用戶提供了方便。 3 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu) 3.1 主控臺 主控臺是整個系統(tǒng)的核心，主要由PC/104系統(tǒng)、控制臺面板（鍵盤）和液晶顯示器組成，需要接入互聯(lián)網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 3.2 網(wǎng)絡(luò)控制器 網(wǎng)絡(luò)控制器硬件如圖3所示。 處理器采用美國德州儀器有限公司（TI）的MSP430,與主控臺通過RS-232通信，下層接CAN總線中轉(zhuǎn)器，同時通過無線收發(fā)模塊與遙 控器進(jìn)行無線連接。網(wǎng)絡(luò)控制器負(fù)責(zé)主控臺各部分權(quán)限的分配，并可以減少用于與控制臺通信的CAN卡的數(shù)量。 3.3 提升機(jī)控制器 提升機(jī)控制器硬件如圖4所示。 處理器采用Philips公司的89C51RD+單片機(jī)，用計(jì)數(shù)器讀碼盤轉(zhuǎn)過的角位移，向上位機(jī)發(fā)送時折算成線位移。同時采用霍爾傳感器采集三路電流值，對電機(jī)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。 交流變頻電機(jī)控制部分采用光電式碼盤測量電機(jī)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖5。 3.4 燈具控制器 每個燈配一個控制器。處理器選擇Philips公司帶A/D的80C552EFA單片機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。 燈具控制器接收解釋上位機(jī)發(fā)來的命令，然后執(zhí)行命令。若上位機(jī)需要返回值，則執(zhí)行后向上位機(jī)發(fā)返回幀。采用中斷方式接收命令。主要功能有： （1） AD采樣各個自由度的角位移量； （2） 根據(jù)設(shè)定位置值，通過算法反自由度調(diào)到相應(yīng)位置； （3） 實(shí)現(xiàn)各自由度的限位功能； （4） 出現(xiàn)異常給上位機(jī)發(fā)異常命令。 4 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 4.1 系統(tǒng)硬件特點(diǎn) 嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是可移動的小型化控制系統(tǒng)。硬件是研華公司的PCM-3350 PC/104及LCD顯示器。與一般的臺式PC系統(tǒng)相比，PC/104嵌入式系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)緊溱，系統(tǒng)模塊化；與單片機(jī)系統(tǒng)相比，PC/104資源豐富，運(yùn)算速度快，產(chǎn)品系列化，可靠性高，可以充分利用豐富的軟件資源和成熟高效的應(yīng)用開發(fā)平臺，有利于提高開發(fā)效率和系統(tǒng)的可靠性，適合數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。 4.2 系統(tǒng)功能 主控臺負(fù)責(zé)用戶命令向下的傳遞并顯示下層向上反饋的信息。因此，監(jiān)控系統(tǒng)與底層設(shè)備有大量的數(shù)據(jù)交換，需要處理大量的實(shí)時信息，對實(shí)時性的要求比較高。而采用嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 3.0可以滿足系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。 同時，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)需要接入互聯(lián)網(wǎng)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信功能，進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷。遠(yuǎn)程診斷的目的就是能將現(xiàn)場設(shè)備的狀況及時傳到維修中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，維修中心能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。及時了解設(shè)備出現(xiàn)的故障，指導(dǎo)現(xiàn)場人員對設(shè)備進(jìn)行維修。因此，系統(tǒng)需要通過網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場系統(tǒng)的一些特殊工作狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場控制室和遠(yuǎn)端的維修中心。此外，本地系統(tǒng)工作時也需要實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。給出各個提升機(jī)和燈具有狀態(tài)信息，有錯誤及時報(bào) 警，并報(bào)靠故障位置和故障類型，使系統(tǒng)易于維護(hù)和檢修。 4.3 圖形用戶界面設(shè)計(jì) 操作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個數(shù)字布光系統(tǒng)的控制。為了克服以往系統(tǒng)不易操作，吊桿、燈具運(yùn)行狀態(tài)顯示不形象的缺點(diǎn)，本文所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在其人機(jī)交互界面中以三維動畫方式顯示吊桿和燈具有動態(tài)運(yùn)行過程，同時在界面中顯示描述吊桿及燈具運(yùn)動位置和運(yùn)行速度的具體參數(shù)。系統(tǒng)的操作也相對簡單。 4.4 串口通信程序 主控制臺與下層網(wǎng)絡(luò)控制器的通信通過PC/104的RS-232串口實(shí)現(xiàn)。 基于Windows CE的設(shè)備采用RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)與串行設(shè)備和其他計(jì)算機(jī)通過串行連接交換數(shù)據(jù)。Windows CE支持基于Windows的臺式機(jī)上用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。主要有CreateFile()、CloseHandle()、GetCommState()、SetCommState()、SetupComm()、PurgeComm()、SetCommMask()、WatiCommEvent()、ClearCommError（）、ReadFile（）、WriteFile（）等函數(shù)。這些函數(shù)可以用于打開、關(guān)閉和操作串行口，傳送和接收數(shù)據(jù)以及管理連接。 在具體的串行通信程序開發(fā)中，采用事件驅(qū)動方式。為了實(shí)時響應(yīng)事件，創(chuàng)建專門的監(jiān)視輔助線程，有數(shù)據(jù)到達(dá)時依靠事件驅(qū)動，讀入數(shù)據(jù)并運(yùn)行相應(yīng)的接收數(shù)據(jù)處理程序，以完成相應(yīng)的工作。 4.5 網(wǎng)絡(luò)功能 當(dāng)現(xiàn)場工作系統(tǒng)出現(xiàn)難以解決的故障時，現(xiàn)場工作人員可以通過Internet將故障信息發(fā)送到維修中心。首先由現(xiàn)場用戶輸入服務(wù)器的IP地址和端口號，然后啟動網(wǎng)絡(luò)通信模塊，創(chuàng)建Winsock套接字，綁定IP地址和端口號，與維修中心的服務(wù)器正處于偵聽狀態(tài)的套接字連接，從而將故障信息從現(xiàn)場傳遞到維修中心的服務(wù)器，讓維修人員及時地了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并診斷故障原因。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)在工控領(lǐng)域中的影響越來越大。本文介紹的數(shù)字布光監(jiān)控系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，使得系統(tǒng)在操作、安裝、維護(hù)等各方面都變得相當(dāng)簡單。同時，系統(tǒng)在安全性，可靠性等方面也有了很大的提高。 |
