專利名稱：嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位置控制器，屬于自動(dòng)檢測與控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
舞臺(tái)吊桿是懸掛在舞臺(tái)上方，用作升降舞臺(tái)布景、燈光設(shè)備的一種舞臺(tái)裝置。舞臺(tái)吊桿要求定位精度較高，啟動(dòng)、停止響應(yīng)較快，而且要求運(yùn)行可靠、操作靈活。在具體的控制過程中對舞臺(tái)吊桿的升降控制是通過控制與吊桿相連的電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器通常由位置信號(hào)采集電路、參數(shù)設(shè)定輸入接口電路、微處理器及其外圍電路、TCP/IP通信接口電路和控制信號(hào)輸出接口電路組成?，F(xiàn)在已有舞臺(tái)吊桿控制器的相關(guān)報(bào)道，但是只有三種情況一種是繼電器控制器，可以人工目測控制吊桿升降定位，但排演時(shí)間長、位置控制精度太低；另一種是由MCS-51單片機(jī)為核心的單板控制器，可以自動(dòng)控制吊桿升降定位，但因測量規(guī)模大，造成被采位置信號(hào)丟失現(xiàn)象，致使位置控制精度低；第三種是直接將PLC作為控制器，但因測量規(guī)模大，所需接口資源多，而使制造成本很高，性能價(jià)格比偏高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)舞臺(tái)吊桿高精度位置控制，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可受到上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有較高性價(jià)比的舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器。為解決上述問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案。
本實(shí)用新型提供一種帶有TCP/IP通信接口的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，可用于控制一路或多路舞臺(tái)吊桿，包括微處理器以及分別與其相連的位置信號(hào)采集電路、永久性存儲(chǔ)器、控制信號(hào)輸出接口電路、TCP/IP通信接口電路、操作面板控制電路和輸入輸出接口擴(kuò)展部件，其中，位置信號(hào)采集電路接收安裝在吊桿控制電機(jī)上的光電碼盤所發(fā)出的位置測量脈沖信號(hào)；控制信號(hào)輸出接口電路用來控制所述電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；永久性存儲(chǔ)器，用于保存每路吊桿的位置信息；TCP/IP通信接口電路為微處理器與上位機(jī)之間進(jìn)行基于以太網(wǎng)協(xié)議通信的物理接口；操作面板控制電路，用于檢測位置按鍵按下與否的狀態(tài)和響應(yīng)操作人員對電機(jī)的操作命令；輸入輸出接口擴(kuò)展部件，用于對多個(gè)吊桿的位置控制、運(yùn)行或錯(cuò)誤指示。
與現(xiàn)有其他技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1方便操作本發(fā)明中的每塊吊桿控制器最多可以控制8路吊桿，采用單控/集控可選方式，即可實(shí)現(xiàn)單桿的位置控制也可實(shí)現(xiàn)多桿同時(shí)控制，滿足了排演及演出時(shí)的操作需要。
2遠(yuǎn)程監(jiān)控本吊桿控制器具有網(wǎng)絡(luò)功能，遠(yuǎn)端微機(jī)和吊桿控制器組成網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)端微機(jī)即可獲得吊桿當(dāng)時(shí)的具體位置并可作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。
3數(shù)控定位本吊桿位置控制器可以記憶多個(gè)演出位置并自動(dòng)控制吊桿的定位行走，具有校零及位置自校正功能，定位精度高。
4運(yùn)行可靠位置控制器內(nèi)設(shè)有上、下行程軟限位，控制回路安裝有硬件上、下限位開關(guān)，還設(shè)有強(qiáng)電回路的上行斷火保護(hù)開關(guān)；控制器具有自診斷及報(bào)警指示功能；保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。


圖1舞臺(tái)吊桿位置控制器硬件結(jié)構(gòu)組成圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。
參見圖1，本實(shí)用新型選用采用CYGNAL公司的C8051F020單片機(jī)作為舞臺(tái)吊桿位置控制器的核心硬件，其外圍電路由位置信號(hào)采集電路，F(xiàn)RAM永久性存儲(chǔ)器，控制信號(hào)輸出接口電路、8019AS通信電路、操作面板控制電路以及8255擴(kuò)展I/O接口部件構(gòu)成。下面分別對各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)說明。
單片機(jī)由于需要對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視，并在異常時(shí)迅速作出處理，因此對作為吊桿控制器的核心部件-單片機(jī)的性能要求比較高。尤其是為了盡量避免信號(hào)脈沖丟失，在處理接收電機(jī)傳來的信號(hào)中采用中斷方式，從而加大了單片機(jī)的工作量，也對其運(yùn)算速度有較高要求，而在處理過程中也需要較多的存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型選擇的SOC級(jí)單片機(jī)C8051F020是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)，采用該款單片機(jī)的主要原因是因?yàn)槠銫IP-51內(nèi)核強(qiáng)大的指令處理能力能夠滿足實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的要求。另外，片內(nèi)集成了64K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器、4K字節(jié)的XRAM和各總線接口，所需外部分立器件較少，增加了控制器工作的穩(wěn)定性和可靠性。
位置信號(hào)采集電路在控制吊桿升降的電機(jī)中裝有光電碼盤，發(fā)出的測量脈沖信號(hào)由位置信號(hào)采集電路接收。該部分電路利用光電隔離器件將內(nèi)部信號(hào)和外部信號(hào)隔開，提高了控制器的抗干擾能力，也提高了信號(hào)的性能。其中，由傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過光電隔離，然后再經(jīng)過74LS14的整形，優(yōu)化了輸入信號(hào)，減少了信號(hào)的誤計(jì)、少計(jì)現(xiàn)象的發(fā)生，提高了系統(tǒng)控制的精度。
存儲(chǔ)器本實(shí)用新型的控制器對數(shù)據(jù)保存要求比較高，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)必須能夠保證在控制器關(guān)機(jī)或掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，開機(jī)后數(shù)據(jù)能自動(dòng)裝入內(nèi)存，并能滿足頻繁讀寫和長期保存的要求。根據(jù)以上要求，選擇Ramtron公司的新一代鐵電存儲(chǔ)器FM24C64，它完全符合控制器的整體性能要求。FM24C64與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用的通信協(xié)議為I2C總線協(xié)議。
通信電路接口本實(shí)用新型的舞臺(tái)吊桿控制器可作為基于TCP/TP的分布式位置控制系統(tǒng)的下位機(jī)，采用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信。控制器的通信電路采用REALTEK公司的具有ISA總線方式的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS，設(shè)計(jì)有單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器的物理接口，通過此接口可以接收來自上位機(jī)的基于以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)包。從而可以通過單片機(jī)進(jìn)行協(xié)議解析、做出相應(yīng)動(dòng)作并按照協(xié)議返回上位機(jī)所需數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通信，還通過編程將完成傳輸層以下的網(wǎng)絡(luò)功能的TCP/IP協(xié)議移植到單片機(jī)中。
操作面板控制接口電路該部分電路的主要功能在于人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)，工作人員通過操作面板的按鍵或開關(guān)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行。其中，采用兩片8279來進(jìn)行按鍵及開關(guān)信號(hào)的捕捉和處理，一片8279工作在傳感器矩陣方式，用于檢測位置按鍵按下與否的狀態(tài)，另外一片8279采用中斷方式響應(yīng)操作人員啟動(dòng)/停止電機(jī)運(yùn)行的命令等操作。
為了擴(kuò)展每臺(tái)控制器所控制吊桿的路數(shù)，需要擴(kuò)展并口，以彌補(bǔ)單片機(jī)I/O口的不足。本實(shí)用新型采用的是最常用的并行口擴(kuò)展芯片8255，用于對多路吊桿的位置控制、運(yùn)行或錯(cuò)誤指示。
在控制器的軟件設(shè)計(jì)方面，采用了模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，將整個(gè)軟件設(shè)計(jì)分為主程序任務(wù)、通信程序任務(wù)、計(jì)數(shù)中斷子任務(wù)和鍵盤中斷子任務(wù)。其中，主程序任務(wù)完成對控制器硬件和控制器各變量進(jìn)行初始化。通信程序任務(wù)接收來自上位機(jī)的命令要求，并作出響應(yīng)，同時(shí)返回給上位機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，完成上位機(jī)的監(jiān)視功能。計(jì)數(shù)中斷子任務(wù)采集電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中通過傳感器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖，每當(dāng)有一個(gè)脈沖到來時(shí)即進(jìn)入中斷子程序進(jìn)行處理，通過判斷電機(jī)的運(yùn)行方向進(jìn)行脈沖的加減操作。鍵盤中斷子任務(wù)用于處理操作面板的鍵盤動(dòng)作中斷響應(yīng)。
控制器的抗干擾設(shè)計(jì)分別從硬件和軟件兩個(gè)方面來采取抗干擾的措施，硬件方面通過抑制干擾源、切斷干擾途徑和提高敏感器件的抗干擾能力三個(gè)方面來提高控制器的抗干擾能力；軟件抗干擾的措施主要是通過程序運(yùn)行混亂時(shí)使程序重入正規(guī)的方法，對控制器因干擾或掉電而引起的復(fù)位，可以通過查詢單片機(jī)中的特殊功能寄存器RSTSRC來進(jìn)行故障診斷并做出相應(yīng)處理，對于一些重要的指令，為防止被干擾信號(hào)修改，在控制器的程序中，重要的指令設(shè)計(jì)成定時(shí)掃描模塊，使其在整個(gè)程序的循環(huán)運(yùn)行中反復(fù)執(zhí)行。
誤差補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)位置控制器中，吊桿在每次運(yùn)動(dòng)停止后，目的位置與實(shí)際位置之間總會(huì)存在或多或少的偏差。經(jīng)分析影響位置精度的的因素主要是機(jī)械原因、計(jì)算原因和理論原因?；诒阌诔绦?qū)崿F(xiàn)和提高誤差精度的考慮，本系統(tǒng)采用分割補(bǔ)償法來進(jìn)行誤差補(bǔ)償，根據(jù)系統(tǒng)中吊桿運(yùn)行的規(guī)律，設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型來解決系統(tǒng)運(yùn)行中大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的獲取問題，將獲取的數(shù)據(jù)做成數(shù)據(jù)庫，并通過大量實(shí)驗(yàn)記錄一些示范數(shù)據(jù)進(jìn)行初始數(shù)據(jù)調(diào)用，而后程序可以通過自學(xué)習(xí)的過程不斷更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，解決系統(tǒng)隨著時(shí)間推移，誤差在發(fā)生變化的情況下不能滿足精度控制的要求。
本控制器的工作過程是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的輸入的吊桿位置信號(hào)源自安置在控制電機(jī)上的光電碼盤發(fā)出的測量脈沖信號(hào)，限定極限位置的行程開關(guān)信號(hào)。上述信號(hào)經(jīng)計(jì)算后作為吊桿的位置信息與由操作面板輸入的操作命令信號(hào)進(jìn)行比較后確定對電機(jī)的控制信號(hào)，然后控制器輸出對吊桿的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。其中，光電碼盤作為自動(dòng)控制器的檢測器件，通過電流傳輸和光電耦合輸入電路來避免因長距離傳輸而造成的信號(hào)衰減及其干擾。輸出的控制信號(hào)用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，從而達(dá)到控制吊桿的上升、下降和停止。為方便演出的需要，可以為每路吊桿設(shè)置4個(gè)記憶位置，位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，當(dāng)演出中需要哪個(gè)位置時(shí)，按下其在操作面板上相應(yīng)的按鍵，控制器即會(huì)將吊桿送到指定位置。從而保證了吊桿運(yùn)行的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控和分布式控制的目的，在控制器中加入了網(wǎng)絡(luò)功能，吊桿在任意時(shí)刻的位置數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給遠(yuǎn)端的上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端微機(jī)對控制器的實(shí)時(shí)控制。
權(quán)利要求1.一種帶有TCP/IP通信接口的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，包括微處理器，其特征在于，微處理器分別與舞臺(tái)吊桿位置信號(hào)采集電路、永久性存儲(chǔ)器、控制信號(hào)輸出接口電路、TCP/IP通信接口電路、操作面板控制電路和輸入輸出接口擴(kuò)展部件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，其特征在于，所述微處理器為C8051F020單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，其特征在于，所述存儲(chǔ)器為鐵電存儲(chǔ)器FM24C64。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，其特征在于，所述的本TCP/IP通信接口電路采用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，其特征在于，所述輸入輸出接口擴(kuò)展部件采用并行口擴(kuò)展芯片8255。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種帶有TCP/IP通信接口的嵌入式舞臺(tái)吊桿自動(dòng)控制器，可用于控制一路或多路舞臺(tái)吊桿，包括微處理器以及分別與其相連的位置信號(hào)采集電路、永久性存儲(chǔ)器、控制信號(hào)輸出接口電路、TCP/IP通信接口電路、操作面板控制電路和輸入輸出接口擴(kuò)展部件。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)舞臺(tái)吊桿高精度位置控制，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，可受到上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有較高的性價(jià)比。
文檔編號(hào)A63J1/00GK2872444SQ200520123869
公開日2007年2月21日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者王金海, 張牧, 王敏, 張波, 張 誠 申請人:天津工業(yè)大學(xué)