基于嵌入式的舞台机械控制系统设计

作者简介：庄黎明：(1966-),1988年毕业于长沙铁道学院，自动化控制专业。工作于兰州铁路局工程处电气化工程公司。主要从事铁道电气化牵引变电所、电力贯通线、接触网等相关工作。

摘 要：对于当今舞台机械控制系统而言，特别是针对大型舞台控制系统，基本都采用国外PLC的方案进行控制，成本极高，且设备的响应速度较慢，针对上述情况，特提出一种基于嵌入式的舞台机械控制系统，采用多级网络的组成方式，使舞台设备的控制更趋向于智能化、网络化、人性化的要求，可定制性获得了极大的增强。

关键词：嵌入式；网络化；舞台；机械控制

1 引言

随着人们文化生活水平的提高，对舞台演出节目的质量要求越来越高。舞台的现代化、智能化是必然的发展趋势。国内虽有部分舞台参照了国外的舞台形式，但整体的技术水平较低，不能满足舞台使用的各种功能要求。针对剧院(包括电视台演播厅)舞台的台面固定，造型、风格单一，舞美总体效果达不到表演要求的现状。在设计方面，国内主要采用国外的PLC系统，但PLC在速度和灵活性方面远远不能和可定制化的嵌入式系统相比较，所以把基于嵌入式的现代智能控制技术应用与舞台机械控制中已经是舞台现在包括未来发展的一个趋势。

本文提出一种基于嵌入式的舞台机械控制系统设计，其采用多重网络通信，较好的解决了当前舞台系统架构混乱、成本高、控制精度低，难以形成大型系统的难题。本文介绍的舞台机械控制系统采用分布式架构，具有结构清晰，可靠性高，操作灵活、便捷的优点。同时，比较经济地实现了软件及硬件的模块化和可扩展性，能满足大中小剧场舞台机械的控制要求。

2 系统构成

舞台机械控制系统采用分布式架构，大体上主要由三层构成：控制层、管理层、执行层三部分构成。

* 控制层：控制层主要指上位机或操作台，通过上位机或操作台，操作人员可选择单个设备或调出需要执行的场次，选择对设备采用哪种控制方式。

* 管理层：管理层主要包含台上集中控制器、台下集中控制器，同时，一些特殊的控制器也属于这一层，如联动控制器、时序同步控制器等带管理功能的控制器。

* 执行层：执行层主要用于执行控制层或管理层传来的控制命令，通过对命令的解析，完成控制功能。

可以通过这样一个流程来描述这三层之间的协作关系。当控制台选中一个设备，如2号吊杆（为台上设备，一般而言，台上设备主要为吊杆、景杆类设备，用于悬挂灯或演出需要的景；台下设备主要指升降台类设备），点选上升按键，表示希望2号吊杆以自由方式上升。控制台通过检测按键，生成上升命令，通过以太网转发命令给台上集中控制器，台上集中控制器收到命令后，通过Can接口转发上升命令给2号吊杆控制器，2号吊杆控制器将根据收到的上升命令，对IO口进行控制，进一步控制电机的正转和反转，达到控制电机的目的。2号吊杆控制器完成电机的控制后，将上传应答ACK给操作台，使操作台知道设备控制命令已正确执行。ACK的上传和命令的下发类似，2号吊杆控制器先通过CAN总线发送应答ACK给台上集中控制器，台上集中控制器收到ACK后，将通过以太网转发应答到操作台，操作台将根据ACK内容更新操作台的显示信息。对于运动中的设备，当包含调速信息或位置信息或限位信息等内容时，将需要在运动过程中实时发送自身的状态信息给控制台或上位机，让操作层设备获取设备的运行状态，此时，设备的状态、位置、速度、限位等信息将定时发送，确保操作层能直观显示设备的运行状况。

整个系统的构成如图1所示，从图中可以看出，整个系统采用分布式架构，通信网络主要由两层网络构成，以太网网络、CAN网络，以太网主要用于连接操作层与管理层，CAN网络主要用于连接管理层与执行层。

由于以太网兼容性好，容易将其他现成的控制设备接入系统，如多台计算机控制，同时，由于以太网具有传输速度快的特点，并入多个设备一般也不会对通信造成影响。另一方面，通过CAN接入底层设备，抗干扰能力强，成本低，传输线缆少，采用普通的带屏蔽的双绞线就可以，只需要在总线上挂接相应的控制模块就可以增加相应的设备，实现简单，容易形成模块化。

图1 系统框图

3 系统通信协议分析

舞台协议，主要是以太网和Can网络的应用层协议，它提出了一个易于构建的网络，直接面向舞台的控制系统。为舞台系统各设备之间的互联，提出了一个低成本的方案。

对于以太网和Can网络而言，其通信协议基本一致，方便对常用命令的透明传输。主要区在操作对象上，详见表1。

帧结构解析如下：

* 操作对象：由目标组地址、目标地址、源组地址、源地址、功能号等组成。主要用于标识此帧源地址和目的地址，以及此帧的功能，以区分是用于传输命令数据、状态数据、还是应答等信息。操作信息的详细格式请见表2。需注意的是：采用以太网传输时，需传输操作对象的四个字节，而对于Can网络而言，由于Can长帧id长度为29，忽略前两位，将操作对象作为Can帧id发送。方便Can接收器的滤波。

* 多帧标志：用于指示此帧是否需要分多帧传输。由于Can帧最长为8字节，为了可以传输长帧，特以此位作为标识，内加序列号用于指示长帧信息。

* 命令字： 是帧标志符中功能码（FuncID）的参数0。其决定了对应功能码的具体操作。

* 命令参数：命令参数是命令字为了实现某项特定功能而附带的参数约束选项。它是一个可选项，长度为M ，M可以为0，最大不能超过7字节长度。

报文标识符指定了数据通讯中的源节点 GrpID、MACID和目标节点 GrpID、MAC-ID， 并指示了报文的功能以及所要访问的逻辑设备。报文标识符被分为源节点组地址（SrcGrpID）、源节点地址（SrcMACID）、目标节点组地址（DestGrpID）目标节点地址（DestMACID）TYPE位、功能码（FunID）和保留位（Reserve）7个部分。

在舞台协议规范中，舞台报文的数据部分主要用于传送与功能码相关的参数。对于CAN报文，最大不能大于8B，但是当前协议通过分段传输的方式（即通过某种协议来实现大于8字节数据的传输）来实现多余8B数据的传输。

表2 命令发送的报文帧结构

4 系统应用实例

对于此嵌入式舞台控制系统，可以有多种实现方案。在此芯片主要采用基于ARM Cortex-M3架构的STM32系列的微控制器作为主控芯片。 STM32作为工业控制芯片，有其独特的优势：性价比高、配置丰富灵活、低功耗，且含有丰富的外设，本系统所需的Can控制器、以太网控制器、正交编码器接口都包含其中，且运行频率很高，完全能满足当前舞台应用的需求。在此我们以非调速四路吊杆控制器来说明其实现方式。硬件实现框图如图2所示。

图2 非调速四路吊杆控制器

5 总结

本文通过对基于嵌入式舞台控制系统功能进行描述，以及架构分析，阐述了采用此方案的优点。并通过对系统重要通信协议的分析，使读者对此系统有了更深入的理解。最后，通过舞台控制器中的非调速四路吊杆控制器给出方案实现示例。本系统已在广州番禺、南昌会展、成都战旗文工团等地运行，且运行情况良好。（作者单位：中铁二十一局集团电务电化工程有限公司）

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