作者：王金海 張麗麗 王華平 孟 菊

　　摘要：介紹了舞臺吊桿控制系統的體系結構，并對組成該系統的舞臺吊桿控制器進行了研究，論述了其工作原理，提出了用CYGNAL單片機和FPGA設計該控制器的方法。基于SOC的設計思想，完成了該控制器的硬件和軟件兩方面的設計，提出了控制系統中的位移測量方法，并對電機慣性引起的誤差提出 了補償方法；同時針對該系統采取了相應的抗干擾措施，提高了系統的抗干擾能力，實際應用證明，此控制器抗干擾能力強，吊桿位置控制精確，且安全可靠。

   關鍵詞：舞臺吊桿控制器FPGA 誤差補償 位置控制

　　在舞臺機械設備中，吊桿起著重要的傷腦筋。在大型的影劇院，一場演出往往需要調動大量的舞臺背景，有時要控制多達64路的吊桿同時動作。操作人員要在現場不斷變換舞臺背景，控制室人員要不斷地和現場人員進行協調，這給舞臺控制帶來了很大不便。對吊桿的集中控制、實時響應來自多路的請求及吊桿位置的精確定位是設計中要解決的三個關鍵問題。目前的舞臺控制系統大都通過采用光電編碼盤產生脈沖信號的方式來獲取吊桿的移動距離，并直接用單片機進行計數和控制。這種方法在響應多路請求時，往往會因為單片機任務繁重而造成計數脈沖丟失，引起測量誤差。綜上所述，本文提出了用CYGNAL單片機和FPGA設計舞臺吊桿控制器的方法。

    
　　1 舞臺吊桿控制系統的組成及工作原理

　　舞臺吊桿控制系統主要由遠程控制端（PC機）、舞臺吊桿控制器、現場設備、LCD顯示器等組成，如圖1所示。
系統采用分布式結構。遠程控制端作為管理機，負責管理和協調現場設備，通過局域網使用UDP/IP協議發送控制指令并采集現場數據；舞臺吊桿控制器作為終端，接收遠程控制端送來的指令，并根據接收到的控制命令控制現場設備動作，采集到現場數據后把數據以UDP格式打包送給遠程控制端，以便 遠程控制端實時進行現場監控。同時為使現場能夠觀察到單個設備的運行情況。還把這些數據通過串口送給現場LCD顯示器。

　　2 舞臺吊桿控制器的硬件設計

　　在整個控制系統中，舞臺吊桿控制器是設計的關鍵，它的功能有兩個：其一，接收與發送UDP數據包，解析數據包并轉化成FPGA控制器能夠識別的格式。其二，接收FPGA控制器送來的現場信息。

　　2．1 舞臺吊桿控制器的硬件組成及工作原理

　　舞臺吊桿控制器主要由C8051F020單片機、FPGA控制器、LCD顯示器、E2PROM存儲器、RTL8019網卡芯片和JTAG程序下載及調度接口等組成。其硬件組成框圖如圖2所示。

　　
    工作原理如下：C8051F020單片機通過RTL8019網卡芯片接收遠程控制端送來的UDP格式的控制命令數據包，從該控制命令數據包解析出控制指令，傳輸給FPGA控制器。FPGA控制器根據控制指令控制現場設備動作，并且把相關的現場數據返回給單片機。單片機把這些現場數據存入E2PROM中作為備份數據，同時送給LCD顯示器，并打成UDP數據包通過網卡芯片發送給遠程控制端。下面主要介紹單片機控制系統和FPGA控制器的設計。

　　2．2 單片機控制系統

　　單片機控制系統主要由C8051F020單片機組成，主要完成數據的接收與處理。C8051F020的特點是運算速度快、集成度高、引腳可配置、工作穩定和可靠性高。它完全能夠滿足舞臺吊桿控制器對存儲器容量、多種總線接口、處理速度和浮點運算等方面的要求。

　　C8051F020單片機有UART0和UART1兩個串口，其中，串口UART0與LCD顯示器連接，用于把舞臺吊桿運行時的位置數據送給LCD顯示器。單片機利用它的SMBUS接口連接帶有I2C總線接口的E2PROM（FM24C64鐵片存儲器），把現場數據存入存儲器，以備在掉電后得新上電時能夠讀出吊桿的當前位置，連續控制吊桿的運動；同時利用它的普通I/O口與網卡芯片RTL8019和FPGA控制器相連，實現數據的收發。

　　2．3 FPGA控制器的設計

　　FPGA控制器是利用EDA方法實現的，主要用 于對霍爾傳感器過來的脈沖進行計數并控制電機。由于吊桿運動過程中產生的脈沖頻率高，FPGA控制器計數量大，所以本設計選擇了高容量、高性能的可編程邏輯器件，即ALTERA公司的FLEX 10K系列FPGA。

    2．3．1 FPGA控制器的模塊劃分
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