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基于ARM-Linux舞台调光台的研究与实现

摘要：目前舞台调光台多以单片机为核心进行功能设计，但在技术先进性、信息存储量、可扩展性、实时性等方面存在不足。本文提出了利用ARM-linux先进技术实现舞台调光台。硬件采用S3C2440芯片作为主控芯片，调光数据传输遵循DMX512舞台灯光控制数据传输协议，软件利用linux2.6.12开发底层驱动程序，为上层应用程序和以后的功能扩展提供接口。通过对系统的硬件、软件研究设计并实现，实验结果表明，该系统功能完善，可扩展性强，易于升级，满足了舞台调光性能的要求。本文的研究对舞台调光技术发展具有一定的理论意义和实用价值。
关键词：调光台；ARM；linux；DMX512
中图分类号：TP273 文献标示码：A

1 引言
近几年，随着社会经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，人们对于精神文化的需求日趋强烈，这种需求促进了剧院、剧场、音乐厅等场所的迅猛发展。而这些公共娱乐场所离不开舞台灯光，舞台灯光的色彩变化、亮度变化提升了演出效果，其中舞台调光台在整个灯光控制系统中，起了重要的作用。目前传统的调光台多以单片机作为主控芯片进行控制，但是单片机的系统资源有限，可扩展性、实时性、控制精度等方面存在不足，给调光台的功能扩展、提高性能指标等带来了很多困难。为此，本文提出了利用S3C2440处理器作为主控芯片，提供了丰富的接口和扩展功能，软件采用linux进行开发，提高了软件的可移植性，方便了软件扩展功能。本文研究的舞台调光台可满足大型舞台灯光调节功能需求，具有实用价值。

2 调光台原理及硬件设计
2.1 调光台原理
调光台原理框图如图1所示，将采样电路的模拟电压信号经S3C2440处理器转化成数字信号并进行数据处理，按照DMX512传输协议打成数据包，将数据包按相应模式通过RS485串口发送到调光器，实现舞台灯光调光功能。

图1 调光台原理框图

2.2 调光台采样电路设计
调光台采样电路框图如图2所示，15路推杆作为主要调光器件，通过CD4067模块与S3C2440的GPB口相连，控制15路推杆的选择，其中3路特效推杆可以控制在手动、自动、预制模式下的灯光亮度。按键电路包括12路普通按键和功能按键电路，其中12路推杆按键电路在预置功能下可以选择具体的通道进行相应的操作，功能按键电路进行具体的功能选择和切换。

图2 调光台采样电路框图
3 调光台软件设计
3.1 GPIO驱动设计
本文设计中的GPIO驱动属于字符设备驱动，主设备号为231，次设备号为0。本驱动涉及GPB5，GPB6，GPB8，GPB10等4个IO口，主要负责15路通道的选择和IO口功能设置。应用程序调用open()函数打开GPIO驱动，在驱动的open()函数设置GPB口的属性，驱动中的ioctl()函数实现了GPB口的相关配置，通过应用程序传递的cmd命令进行相应通道的选择，GPIO驱动相关代码如下所示：
端口宏定义：
unsigned long led_table[]={S3C2410_GPB5,S3C2410_GPB6,S3C2410_GPB8,S3C2410_GPB10
};
unsigned int led_cfg_table[]={
S3C2410_GPB5_OUTP,
S3C2410_GPB6_OUTP,
S3C2410_GPB8_OUTP,
S3C2410_GPB10_OUTP};
open()函数：
int s3c2410_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
int i;
for(i=0;i<4;i++)
{s3c2410_gpio_cfgpin(led_table[i],led_cfg_table[i]);}
return 0;
}
ioctl()函数：
int s3c2410_ioctl(struct inode *inode,struct file *file,unsigned int cmd)
{
switch(cmd)
{
case GPB1:
s3c2410_gpio_setpin(led_table[0],0);
s3c2410_gpio_setpin(led_table[1],0);
s3c2410_gpio_setpin(led_table[2],0);
s3c2410_gpio_setpin(led_table[3],0);
break;
case GPB2:
…
…
case GPB15:
…
default:
Return –EINVAL;}}

3.2 A/D驱动设计
S3C2440芯片内部集成了一个8路10位A/D转换器（其中第5，第6通道可用于支持触摸屏接口）。本设计中使用的是第二路通道（AIN1），PCLK为50MHZ，预分频值为49（实际的分频值为50），进行一次转换所需的时间为：
A/D转换频率=50MHZ/（49+1）=1MHZ
转换时间=1/(1MHZ/5cycles)=1/200kHz=5μs
本驱动主要涉及的接口函数有device_open(),device_read(),device_release()。其中在打开函数中设置了A/D的预分频值，同时选择AIN1作为采样通道，并使能预分频器。读函数开启A/D转换并等待转换结束，将转换后的10位数据处理成8位数据，最终传递给应用程序。其中读函数的部分代码如下：
int device_read(struct file *file,unsigned char *buffer,int count)
{unsigned long buf;
__raw_writel((1<<14)|(49<<6)|(1<<3),adc_con);
__raw_writel(__raw_readl(adc_con)|0x1,adc_con);
while(__raw_readl(adc_con)&0x1);
while(!(__raw_readl(adc_con)&0x8000));
buf=__raw_readl(adc_dat0)&0x3ff;
*buffer=(unsigned char)buf;
buffer++;
*buffer=(unsigned char)(buf>>8);
return 1;}
3.3 串口驱动设计
在linux2.6.12版本下，内核自带的串口驱动有ttySAC0，ttySAC1，ttySAC2。但是DMX512协议规定通信的波特率为250kbps，内核自身的串口驱动无法满足如此高的传输速率，而且经试验我们发现，在将GPH4(TXD1口)口作为IO口和串口进行功能切换时，会引起系统冲突无法实现DMX512的数据包头，所以本文屏蔽了ttySAC1(COM1口驱动)，重新裁剪并编译了linux内核，自己开发符合DMX512协议的串口驱动。本驱动使用查询模式，涉及的接口函数主要有lyz_open()，lyz_ioctl()，lyz_write()，lyz_release()。其中lyz_ioctl()函数主要负责GPH4口的功能切换，以及DMX512包头的制作。lyz_write()判断发送寄存器是否为空，并进行用户空间和内核空间的数据传递。lyz_release()函数负责驱动的注销，DMX512程序流程图如图3所示，其中lyz_write()函数代码如下所示。
ssize_t lyz_write(struct file *filp,char __user *buf,size_t count,loff_t *f_pos)
{
unsigned char wbuf[1];
int state,x,y;
x=copy_from_user(wbuf,buf,count);
if(x!=0)
{
printk("error:copy error\n");
}
state=__raw_readb(S3C24XX_VA_UART1+S3C2410_UTRSTAT);
while(!(state&0x04))
{state=__raw_readb(S3C24XX_VA_UART1+S3C2410_UTRSTAT);}
__raw_writeb(wbuf[0],S3C24XX_VA_UART1+S3C2410_UTXH);
return 0;
}

图3 DMX512程序流程图

3.4 按键驱动设计
在本按键电路中，相应IO口接高电平，当按键按下，则接低电平，所以将中断响应设置为下降沿触发。去抖动采用了定时器定时判断按键状态的方法，中断检测到低电平后关闭中断，防止按键冲突，并且打开定时器延时20ms，定时器中断程序判断端口是否是低电平，确定案件按下后再次开启定时器延时100ms，等待案件抬起（防止多次中断）。其中读函数根据应用程序的选择提供了阻塞和非阻塞两种方式，其中阻塞采用等待队列判断按键缓冲区头和缓冲区尾是否相等，当无按键按下时应用程序被阻塞等待按键按下，满足了不同的应用需要。按键驱动部分代码如下所示：

中断处理函数：
static irqreturn_t s3c2440_key_irq(int irq,void *dev_id)
{
int key=(int)dev_id;
disable_irq(key_info_tab[key].irq);
dev.key_status[key]=GZLIU_KEY_DOWN_X;
key_timer[key].expires=jiffies+KEY_TIMER_DELAY_1;
add_timer(&key_timer[key]);
return IRQ_HANDLED;}
定时器中断处理函数：
static void s3c2440_key_timer(unsigned long data)
{
int key=data;
int status=s3c2410_gpio_getpin(key_info_tab[key].port);
if(!status)
{
if(dev.key_status[key]==GZLIU_KEY_DOWN_X)
{
dev.key_status[key]=GZLIU_KEY_DOWN;
dev.buf[dev.tail]=(KEY_RET)key;
dev.tail=(dev.tail+1)%MAX_KEY_BUF;
wake_up_interruptible(&dev.wq);
}
key_timer[key].expires=jiffies+KEY_TIMER_DELAY_2;
add_timer(&key_timer[key]);
}
else
{dev.key_status[key]=GZLIU_KEY_UP;
enable_irq(key_info_tab[key].irq);
}}

3.5 应用程序设计
本文软件开发环境基于linux2.6.12版本，底层驱动主要涉及A/D驱动，GPIO驱动，串口驱动，按键驱动。上层应用程序主要负责调光台中3路特效工作模式，即手动、自动、预制功能的实现，为了保证程序的实时性和高效性，将推杆电压采样模块作为单独的线程处理，应用程序流程图如图4所示。

图4 应用程序流程图
5 结论
本文在linux系统环境下采用S3C2440处理器，研究并设计了技术先进，功能完善，扩展性较强的新型调光台。经过反复调试和优化，实现了嵌入式调光台的各项功能，符合舞台调光性能要求。本文的研究和设计，对于舞台调光台的技术发展具有一定的理论意义和实用价值，应用前景广阔。

参考文献：
[1]何泉，贺玉梅. 嵌入式linux下GPIO驱动程序的开发及应用[J].仪器仪表学报，2007.04
[2]孙德辉，梁鑫，杨扬. 嵌入式linux下ADC的驱动程序实现与应用[J].现代电子技术.2008.，22
[3]宋宝华. Linux设备驱动开发详解[M].人民邮电出版社.2008.02
[4]雷铭哲，张勇. Linux线程机制研究[M]. 火力与指挥控制. 2010.02