数字化舞台布光灯具控制器的设计
发布时间:2007/4/23 0:00:00 访问次数:531
灯具控制器主要由位置测量、电机驱动、CAN总线通信接口等功能模块组成，整体方案如图1所示。它采用基于8051内核、内置A/D转换电路的80C552作为主CPU。
灯具各自由度输出转轴装有线性型精密电位器进行位置测量(对于调焦测量，使用齿轮齿条机构将直线位移转换为角度位移)。电位器的活动范围为270度，使用10bitA／D转换器，最高理论精度为270度／210=0．263度。
CPU将实测位置和控制台传来的设定位置进行比较，计算出应如何驱动伺服电机。
电机的控制电路采用PWM方式，每个电机由一个H桥驱动，效率高、发热小、易于调试。由于要控制5个直流减速电机，因此需要5组双相共10路PWM信号，由一片10通道PWM芯片生成。该芯片实际上是由新型的高速AVR单片机AT90s2313构成的虚拟外设，通过软件编程仿真PWM功能。80C552利用串口将各个通道的PWM值发送给AT90s2313，AT90s2313在内存中生成相应的PWM信号序列，定时向外输出，实测PWM重复频率为9．8kHz。程序中设计了特定算法，可以保证功率驱动模块的某个桥臂关断后，对侧桥臂要延时一段时间才会开通，避免由于开关速度的影响导致上下桥臂直通。
由于直流电机的启动电流和换向电流远大于正常工作电流，过高的启动电流除了会造成系统成本增加外，还有可能烧毁换向器；另外，直流电机的电磁力矩与电流成正比，过高的启动力矩也对机械结构的稳定不利。因此，在电路中设计了过流斩波装置来限制启动电流。
使用现场总线进行分布式控制是本系统的主要特色之一，本方案中选用了CAN总线，灯具对外连线除电源线外，只有一根屏蔽式双绞线，布线方便、成本低廉、扩展性强。CAN总线接口电路由通信协议控制芯片SJAi000和总线收发器82C250等组成。
由于每个灯具要有独立的CAN总线地址，且每个电机、减速器、机械安装尺寸均有一定的个体差异，因此不同的灯具上会有不同的控制参数。在设计中，应尽量减少需要调整的参数，对于一定要调整的部分，应将它们存储在EEPROM中，每次开机读取。
EEPROM中的参数关系到灯具控制器能否正常工作，一旦出厂，一股不建议更改。但是为了方便技术人员进行调试，在电路中仍设计了开发人员接口，在现场无需拆下，且无需编程器就可以使用计算机串口读取、修改EEPROM中的内容。
2 CAN总线通信软件的设计
CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线，是最早在我国得到应用的现场总线之一。它实现了ISO／OSI七层模型中的物理层和数据链路层，总线上任何节点均可主动向其它节点发送信息，数据采用短帧结构，最长8个字节，不易受干扰，故障节点可自动脱离总线。
CAN总线通信控制器SJAl000由82C200发展而来，它兼容82C200的电气特性和工作模式，并对功能进行了扩展。它集成子CAN协议的数据链路层的全部功能，可自动完成数据编码、成帧、冲突检测、循环冗余校验、出错重传等工作。总线收发器82C250负责竹l电子和CAN总线差分电平之间的转换。
CAN总线软件包主要包括初始化函数、发送函数和接收中断函数。
初始化函数的主要工作流程见图2。
SJA1000有两种工作状态：复位状态和正常状态。复位状态在上电后直接进入，也可以通过软件置位进入。SJAl000的所有初始化操作需在复位状态完成。其中，接收滤波码来自EEPROM，每个灯具有不同的接收滤波码；为配合82C250，输出模式寄存器设置成推挽模式，正极性输出。初始化完成后，转入正常状态，填写发送缓冲区，释放接收缓冲区，即可正常发送接收。
发送函数首先判断上次发送是否完成，若完成则在缓冲区内填写新的数据，启动发送；否则等待直至超时，发送完成与否由状态寄存器指示。
接收函数采用中断方式，SJAl000内部包含深度为64字节的接收FIFO缓冲区，芯片无需CPU的干涉就可以自动对收到的信息
灯具控制器主要由位置测量、电机驱动、CAN总线通信接口等功能模块组成，整体方案如图1所示。它采用基于8051内核、内置A/D转换电路的80C552作为主CPU。
灯具各自由度输出转轴装有线性型精密电位器进行位置测量(对于调焦测量，使用齿轮齿条机构将直线位移转换为角度位移)。电位器的活动范围为270度，使用10bitA／D转换器，最高理论精度为270度／210=0．263度。
CPU将实测位置和控制台传来的设定位置进行比较，计算出应如何驱动伺服电机。
电机的控制电路采用PWM方式，每个电机由一个H桥驱动，效率高、发热小、易于调试。由于要控制5个直流减速电机，因此需要5组双相共10路PWM信号，由一片10通道PWM芯片生成。该芯片实际上是由新型的高速AVR单片机AT90s2313构成的虚拟外设，通过软件编程仿真PWM功能。80C552利用串口将各个通道的PWM值发送给AT90s2313，AT90s2313在内存中生成相应的PWM信号序列，定时向外输出，实测PWM重复频率为9．8kHz。程序中设计了特定算法，可以保证功率驱动模块的某个桥臂关断后，对侧桥臂要延时一段时间才会开通，避免由于开关速度的影响导致上下桥臂直通。
由于直流电机的启动电流和换向电流远大于正常工作电流，过高的启动电流除了会造成系统成本增加外，还有可能烧毁换向器；另外，直流电机的电磁力矩与电流成正比，过高的启动力矩也对机械结构的稳定不利。因此，在电路中设计了过流斩波装置来限制启动电流。
使用现场总线进行分布式控制是本系统的主要特色之一，本方案中选用了CAN总线，灯具对外连线除电源线外，只有一根屏蔽式双绞线，布线方便、成本低廉、扩展性强。CAN总线接口电路由通信协议控制芯片SJAi000和总线收发器82C250等组成。
由于每个灯具要有独立的CAN总线地址，且每个电机、减速器、机械安装尺寸均有一定的个体差异，因此不同的灯具上会有不同的控制参数。在设计中，应尽量减少需要调整的参数，对于一定要调整的部分，应将它们存储在EEPROM中，每次开机读取。
EEPROM中的参数关系到灯具控制器能否正常工作，一旦出厂，一股不建议更改。但是为了方便技术人员进行调试，在电路中仍设计了开发人员接口，在现场无需拆下，且无需编程器就可以使用计算机串口读取、修改EEPROM中的内容。
2 CAN总线通信软件的设计
CAN总线是德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线，是最早在我国得到应用的现场总线之一。它实现了ISO／OSI七层模型中的物理层和数据链路层，总线上任何节点均可主动向其它节点发送信息，数据采用短帧结构，最长8个字节，不易受干扰，故障节点可自动脱离总线。
CAN总线通信控制器SJAl000由82C200发展而来，它兼容82C200的电气特性和工作模式，并对功能进行了扩展。它集成子CAN协议的数据链路层的全部功能，可自动完成数据编码、成帧、冲突检测、循环冗余校验、出错重传等工作。总线收发器82C250负责竹l电子和CAN总线差分电平之间的转换。
CAN总线软件包主要包括初始化函数、发送函数和接收中断函数。
初始化函数的主要工作流程见图2。
SJA1000有两种工作状态：复位状态和正常状态。复位状态在上电后直接进入，也可以通过软件置位进入。SJAl000的所有初始化操作需在复位状态完成。其中，接收滤波码来自EEPROM，每个灯具有不同的接收滤波码；为配合82C250，输出模式寄存器设置成推挽模式，正极性输出。初始化完成后，转入正常状态，填写发送缓冲区，释放接收缓冲区，即可正常发送接收。
发送函数首先判断上次发送是否完成，若完成则在缓冲区内填写新的数据，启动发送；否则等待直至超时，发送完成与否由状态寄存器指示。
接收函数采用中断方式，SJAl000内部包含深度为64字节的接收FIFO缓冲区，芯片无需CPU的干涉就可以自动对收到的信息
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