CN2872444Y - 嵌入式舞台吊杆自动控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种带有TCP/IP通信接口的嵌入式舞台吊杆自动控制器，可用于控制一路或多路舞台吊杆，包括微处理器以及分别与其相连的位置信号采集电路、永久性存储器、控制信号输出接口电路、TCP/IP通信接口电路、操作面板控制电路和输入输出接口扩展部件。本实用新型能够实现舞台吊杆高精度位置控制，能够进行远距离通信，可受到上位机实时监控，具有较高的性价比。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种位置控制器，属于自动检测与控制领域。
背景技术
舞台吊杆是悬挂在舞台上方，用作升降舞台布景、灯光设备的一种舞台装置。舞台吊杆要求定位精度较高，启动、停止响应较快，而且要求运行可靠、操作灵活。在具体的控制过程中对舞台吊杆的升降控制是通过控制与吊杆相连的电机来实现的。嵌入式舞台吊杆自动控制器通常由位置信号采集电路、参数设定输入接口电路、微处理器及其外围电路、TCP/IP通信接口电路和控制信号输出接口电路组成。现在已有舞台吊杆控制器的相关报道，但是只有三种情况：一种是继电器控制器，可以人工目测控制吊杆升降定位，但排演时间长、位置控制精度太低；另一种是由MCS-51单片机为核心的单板控制器，可以自动控制吊杆升降定位，但因测量规模大，造成被采位置信号丢失现象，致使位置控制精度低；第三种是直接将PLC作为控制器，但因测量规模大，所需接口资源多，而使制造成本很高，性能价格比偏高。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够实现舞台吊杆高精度位置控制，能够进行远距离通信，可受到上位机实时监控，具有较高性价比的舞台吊杆自动控制器。为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
本实用新型提供一种带有TCP/IP通信接口的嵌入式舞台吊杆自动控制器，可用于控制一路或多路舞台吊杆，包括微处理器以及分别与其相连的位置信号采集电路、永久性存储器、控制信号输出接口电路、TCP/IP通信接口电路、操作面板控制电路和输入输出接口扩展部件，其中，
位置信号采集电路接收安装在吊杆控制电机上的光电码盘所发出的位置测量脉冲信号；
控制信号输出接口电路用来控制所述电机的正转、反转和停止；
永久性存储器，用于保存每路吊杆的位置信息；
TCP/IP通信接口电路为微处理器与上位机之间进行基于以太网协议通信的物理接口；
操作面板控制电路，用于检测位置按键按下与否的状态和响应操作人员对电机的操作命令；
输入输出接口扩展部件，用于对多个吊杆的位置控制、运行或错误指示。
与现有其他技术相比，本实用新型具有如下优点：
1方便操作：本发明中的每块吊杆控制器最多可以控制8路吊杆，采用单控/集控可选方式，即可实现单杆的位置控制也可实现多杆同时控制，满足了排演及演出时的操作需要。
2远程监控：本吊杆控制器具有网络功能，远端微机和吊杆控制器组成网络，远端微机即可获得吊杆当时的具体位置并可作出实时响应，从而实现远程监控的功能。
3数控定位：本吊杆位置控制器可以记忆多个演出位置并自动控制吊杆的定位行走，具有校零及位置自校正功能，定位精度高。
4运行可靠：位置控制器内设有上、下行程软限位，控制回路安装有硬件上、下限位开关，还设有强电回路的上行断火保护开关；控制器具有自诊断及报警指示功能；保证系统安全可靠地运行。
附图说明
图1舞台吊杆位置控制器硬件结构组成图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做详细说明。
参见图1，本实用新型选用采用CYGNAL公司的C8051F020单片机作为舞台吊杆位置控制器的核心硬件，其外围电路由位置信号采集电路，FRAM永久性存储器，控制信号输出接口电路、8019AS通信电路、操作面板控制电路以及8255扩展I/O接口部件构成。下面分别对各个部件进行详细说明。
单片机：由于需要对电机的运行状态进行实时控制和监视，并在异常时迅速作出处理，因此对作为吊杆控制器的核心部件-单片机的性能要求比较高。尤其是为了尽量避免信号脉冲丢失，在处理接收电机传来的信号中采用中断方式，从而加大了单片机的工作量，也对其运算速度有较高要求，而在处理过程中也需要较多的存储空间来存储数据。本实用新型选择的SOC级单片机C8051F020是集成的混合信号片上系统，采用该款单片机的主要原因是因为其CIP-51内核强大的指令处理能力能够满足实时采集数据的要求。另外，片内集成了64K字节的FLASH存储器、4K字节的XRAM和各总线接口，所需外部分立器件较少，增加了控制器工作的稳定性和可靠性。
位置信号采集电路：在控制吊杆升降的电机中装有光电码盘，发出的测量脉冲信号由位置信号采集电路接收。该部分电路利用光电隔离器件将内部信号和外部信号隔开，提高了控制器的抗干扰能力，也提高了信号的性能。其中，由传感器产生的数字信号经过光电隔离，然后再经过74LS14的整形，优化了输入信号，减少了信号的误计、少计现象的发生，提高了系统控制的精度。
存储器：本实用新型的控制器对数据保存要求比较高，存储在存储器中的数据必须能够保证在控制器关机或掉电后数据不会丢失，开机后数据能自动装入内存，并能满足频繁读写和长期保存的要求。根据以上要求，选择Ramtron公司的新一代铁电存储器FM24C64，它完全符合控制器的整体性能要求。FM24C64与单片机之间的数据传输采用的通信协议为I2C总线协议。
通信电路接口：本实用新型的舞台吊杆控制器可作为基于TCP/TP的分布式位置控制系统的下位机，采用以太网协议进行通信。控制器的通信电路采用REALTEK公司的具有ISA总线方式的以太网控制器RTL8019AS，设计有单片机与以太网控制器的物理接口，通过此接口可以接收来自上位机的基于以太网协议的数据包。从而可以通过单片机进行协议解析、做出相应动作并按照协议返回上位机所需数据。为实现上、下位机的通信，还通过编程将完成传输层以下的网络功能的TCP/IP协议移植到单片机中。
操作面板控制接口电路：该部分电路的主要功能在于人机交互界面的实现，工作人员通过操作面板的按键或开关来控制系统的运行。其中，采用两片8279来进行按键及开关信号的捕捉和处理，一片8279工作在传感器矩阵方式，用于检测位置按键按下与否的状态，另外一片8279采用中断方式响应操作人员启动/停止电机运行的命令等操作。
为了扩展每台控制器所控制吊杆的路数，需要扩展并口，以弥补单片机I/O口的不足。本实用新型采用的是最常用的并行口扩展芯片8255，用于对多路吊杆的位置控制、运行或错误指示。
在控制器的软件设计方面，采用了模块化、结构化的设计技术，将整个软件设计分为：主程序任务、通信程序任务、计数中断子任务和键盘中断子任务。其中，主程序任务完成对控制器硬件和控制器各变量进行初始化。通信程序任务接收来自上位机的命令要求，并作出响应，同时返回给上位机相应的数据，完成上位机的监视功能。计数中断子任务采集电机在运动过程中通过传感器产生的计数脉冲，每当有一个脉冲到来时即进入中断子程序进行处理，通过判断电机的运行方向进行脉冲的加减操作。键盘中断子任务用于处理操作面板的键盘动作中断响应。
控制器的抗干扰设计：分别从硬件和软件两个方面来采取抗干扰的措施，硬件方面通过抑制干扰源、切断干扰途径和提高敏感器件的抗干扰能力三个方面来提高控制器的抗干扰能力；软件抗干扰的措施主要是通过程序运行混乱时使程序重入正规的方法，对控制器因干扰或掉电而引起的复位，可以通过查询单片机中的特殊功能寄存器RSTSRC来进行故障诊断并做出相应处理，对于一些重要的指令，为防止被干扰信号修改，在控制器的程序中，重要的指令设计成定时扫描模块，使其在整个程序的循环运行中反复执行。
误差补偿的软件实现：位置控制器中，吊杆在每次运动停止后，目的位置与实际位置之间总会存在或多或少的偏差。经分析影响位置精度的的因素主要是机械原因、计算原因和理论原因。基于便于程序实现和提高误差精度的考虑，本系统采用分割补偿法来进行误差补偿，根据系统中吊杆运行的规律，设计数学模型来解决系统运行中大量经验数值的获取问题，将获取的数据做成数据库，并通过大量实验记录一些示范数据进行初始数据调用，而后程序可以通过自学习的过程不断更新数据库中的内容，解决系统随着时间推移，误差在发生变化的情况下不能满足精度控制的要求。
本控制器的工作过程是通过以下方式实现的：输入的吊杆位置信号源自安置在控制电机上的光电码盘发出的测量脉冲信号，限定极限位置的行程开关信号。上述信号经计算后作为吊杆的位置信息与由操作面板输入的操作命令信号进行比较后确定对电机的控制信号，然后控制器输出对吊杆的运动控制信号。其中，光电码盘作为自动控制器的检测器件，通过电流传输和光电耦合输入电路来避免因长距离传输而造成的信号衰减及其干扰。输出的控制信号用来控制电机的正转、反转和停止，从而达到控制吊杆的上升、下降和停止。为方便演出的需要，可以为每路吊杆设置4个记忆位置，位置数据存储在存储器中，当演出中需要哪个位置时，按下其在操作面板上相应的按键，控制器即会将吊杆送到指定位置。从而保证了吊杆运行的准确性和实时性。为了达到远程监控和分布式控制的目的，在控制器中加入了网络功能，吊杆在任意时刻的位置数据都通过网络传递给远端的上位机，从而实现了远端微机对控制器的实时控制。
Claims (5)
1、一种带有TCP/IP通信接口的嵌入式舞台吊杆自动控制器，包括微处理器，其特征在于，微处理器分别与舞台吊杆位置信号采集电路、永久性存储器、控制信号输出接口电路、TCP/IP通信接口电路、操作面板控制电路和输入输出接口扩展部件相连。
2、根据权利要求1所述的嵌入式舞台吊杆自动控制器，其特征在于，所述微处理器为C8051F020单片机。
3、根据权利要求1所述的嵌入式舞台吊杆自动控制器，其特征在于，所述存储器为铁电存储器FM24C64。
4、根据权利要求1所述的嵌入式舞台吊杆自动控制器，其特征在于，所述的本TCP/IP通信接口电路采用以太网控制器RTL8019AS。
5、根据权利要求1所述的嵌入式舞台吊杆自动控制器，其特征在于，所述输入输出接口扩展部件采用并行口扩展芯片8255。
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| CN107551575A (zh) * | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 浙江大丰实业股份有限公司 | 智能化舞台吊杆保护系统 |
| CN107715478A (zh) * | 2016-08-11 | 2018-02-23 | 浙江大丰实业股份有限公司 | 自动化舞台设备辅助控制系统 |
| CN110794726A (zh) * | 2019-08-15 | 2020-02-14 | 北京众驰自动化设备有限公司 | 用于实现舞台控制模块化的方法及控制系统 |
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