音乐喷泉控制器的方案设计书090614.doc

音乐喷泉控制器的设计(硬件设计)单 位:二十五队二中队专 业:电子信息工程姓 名:指导教师:完成年月:2009 年6月4日摘要：音乐喷泉控制器是音乐喷泉的核心部分。在音乐喷泉中，喷头的多姿造型和缤纷的水下灯光都受喷泉控制器的控制。由于不同的喷泉对水泵和彩灯组数的要求各不相同，因此可以设计一种简单、通用、组数可灵活扩充的喷泉控制器。本喷泉控制器采用全数字集成电路设计，可以灵活改变水泵和彩灯的组数。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。本设计分为音控、程控两用的音乐喷泉控制器。控制三组不同颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。音控、程控可用开关手动切换。程控的速度可用电位器调节。音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多，在音乐音量较长时间不变时，彩灯打开的组数不变，但各组应能循环打开，以避免灯光和造型的单调。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。设计中主要用到的方法，音乐经过峰值检波后，得到和音量大小相关的控制电压，将此控制电压，经过简单的A/D转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的高位地址，同时程控地址发生器也发出控制存储器芯片的地址信号，这两组地址信号经地址切换开关选择后去控制存储器的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。关键字：峰值检波、A/D转换、EEPROM（AT28C64B）、程控地址发生器（CD4060）Abstract：The musical fountain controller is the musical fountain heart. In the musical fountain, the nozzle varied modeling and the riotous submarine light all receive the eruptive fountain controller the control. Is various as a result of the different eruptive fountain to the water pump and the color lamp bank number request, therefore designs the eruptive fountain controller which one kind simple, general, the group number may expand nimbly to become an eruptive fountain designers topic. This eruptive fountain controller uses the entire digital circuit design, may change the water pump and the colored lantern group number nimbly.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。This design divides into the sound to control, the program control dual purpose musical fountain controller. Controls three groups of different colors the colored lanterns, five different eruptive fountain modeling water pump. The sound controls, the program control available switch silk thread business manual cut. Program control peed available potentiometer adjustment. then the volume the colored lantern opens greatly the group number are many, when music volume long time invariable, the colored lantern opens the group number is invariable, but each group ought to be able to circulate opens, avoids the light and modeling monotonous.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。In the design mainly uses the method, music after the peak detection, obtains with the volume size correlation control voltage, this control voltage, after passes through the simple A/D transformation to turn the digital signal, the control memory chip top digit address, simultaneously the program control address generator also sends out the control memory chip the address signal, these two group of address signal after the address cut switch choice the control memory address, this memory address correspondence data signal can output, the output signal on impels the colored lantern work after the isolation actuation.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。Keyword： peak detection A/D transformation 引言音乐喷泉是近几年来出现的喷泉水景与音乐欣赏相结合的产物，它的出现改变了喷泉艺术单调不变的局面。在音乐的伴随下喷泉的高度、灯光的色彩以及喷泉造型等随着音乐变化而变化，忽而气势磅礴，犹如万马齐奔，忽而悠然舒缓，犹如春风抚过杨柳，使观众陶醉于音乐与水型的完美结合中。目前，音乐喷泉出现了各种表现形式，比如大型广场喷泉、激光喷泉、水幕电影、超高喷泉、人工瀑布等。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。由于音乐喷泉作为一种独特的人工景观，具有很大的观赏价值，国内各大城市或在广场或在公园都有它的身影。可以说，音乐喷泉己经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益。为了适应喷泉工程建设的需要，国内出现了众多的喷泉设备厂和喷泉设计专业公司。根据中国水景喷泉委员会企业资质等级名单，国内比较著名的喷泉公司有:天津市大德喷泉科技有限公司、北京金瀑布环境艺术有限公司深圳市水体艺术设计有限公司等十几家专业公司一些大专院校和科研院所也积极的进行音乐喷泉的研究开发，如人民大学、清华大学、中科院计算所、中科院自动化所等。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。决定音乐喷泉艺术效果的一般有下面几个因素，控制水平、喷头设计和喷泉的空间布局等。因此可以说音乐喷泉涉及到众多的学科，一个大型音乐喷泉项目的完成需要机械、给水排水、自动控制等各种专业人才的通力合作才能完成。其中音乐喷泉的控制是一个关键技术，音乐喷泉之所以能够千变万化，随着音乐翩翩起舞，起决定作用的就是它的电脑控制部分，否则喷泉的造型将只能是静态的、缺乏生气与活力。因此本文结合某市的大型音乐喷泉控制系统的改造工程，主要对音乐喷泉的控制系统部分进行研究。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。音乐喷泉控制的主要方式：（1）固定程控方式程控方式是实现原理比较简单的一种控制方式，这种方式下喷泉的造型变换、水柱高低、灯光变换等都是在程序完成之前设计好的，一般一首歌曲配有相应的控制程序。这种方式的优点是设计原理简单、与对应歌曲的配合程度高、现场表现效果也最好。但是缺点也是很明显的:一首歌曲一般只有预编辑好的一种控制效果，观众观看多次后容易出现审美疲劳现象;采用新的歌曲，原控制程序就会与音乐搭配不当，音乐与水型不能和谐统一，失去了音乐喷泉的控制内涵;设计一首新的歌曲的喷泉造型很麻烦，需要原控制软件设计人员才能完成，工作量大、设计周期长。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。（2） 音控方式音控方式是根据音乐信号变化而实时控制喷泉造型的一种方式，目前己经开始逐步流行。它的工作原理是实时采集CD播放机的音频模拟信号，通过在计算机内处理，根据音乐的音量、频率、节拍等控制喷泉水型。这种方式可以适用于很多歌曲，不需要更改程序，只需更换不同音乐的CD光盘就可以有对应的喷泉造型。但是目前的音控方式还处于比较初级的阶段，控制效果不够理想。主要原因是控制程序一般只是根据音量或者频率来选择水型而没有完全综合音乐中音量、音色、节拍、节奏及旋律等有关音乐表现力的要素来进行控制。并且由于阀门、水泵的机械特性和管道特性的原因，通过采集音乐模拟信号来实时控制比较难以解决控制水型滞后的问题。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。现有的音乐喷泉控制方式几乎都可以归属于上面两种，随着 PC技术、智能控制技术的发展，自动识别信号、智能化、水型及乐曲易管理的音乐喷泉将是未来产品的发展趋势。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。1课题来源在音乐喷泉中，喷头的多姿造型和缤纷的水下灯光都受喷泉控制器的控制。由于不同的喷泉对水泵和彩灯组数的要求各不相同，因此设计一种简单、通用、组数可灵活扩充的喷泉控制器就成为喷泉设计者的一个任务。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。2课题的研究内容和意义本课题以工程为背景主要研究音乐喷泉控制器系统实现的技术。采用数字电路，音乐经过峰值检波后，得到和音量大小的控制电压，将此控制电压，经过简单的A/D转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。音乐喷泉作为一种独特的人工景观，获得了广大人民的喜爱，不仅使得人们在视觉上得到了享受，而且在音乐背景下，能够激励我们的心智。目前音乐喷泉已经成为一种娱乐产业，具有很高的经济效益和社会效益，研究和设计高水平的音乐喷泉控制技术是非常重要的。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。目录第一章 音乐喷泉的介绍1坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.1 音乐喷泉的发展11.2音乐喷泉的现状2第二章 整体方案设计与选择3蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.1基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制器的设计3買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.2 基于全数字集成电路音乐喷泉控制器的设计4綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.3方案比较选择6驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。第三章 基于数字集成电路音乐喷泉控制器硬件电路设计7猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。3.1音乐喷泉控制系统整体设计7锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。3.2电路设计原理及方框图7構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.3峰值检波电路设计7輒峄陽檉簖疖網儂號泶。3.4 A/D转换电路设计7尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。3.4.1 LM339芯片介绍：8识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。3.5 输出信号优先编码电路8凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。3.5.1 74LS148芯片介绍9恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。3.6 程控地址发生器电路设计9鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。3.6.1 CD4060芯片的介绍9硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。3.7地址切换开关和存储器芯片电路设计10阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。3.7.1 CD4053芯片介绍10氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.8隔离驱动电路的设计11釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。第四章 软件程序编译与烧写12怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。4.1 EEPROM AT28C64B芯片介绍12谚辞調担鈧谄动禪泻類。4.2 AT28C64B器件操作12嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。4.2.1 程序存储器芯片读操作12熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。4.2.2 程序存储器芯片后备状态12鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4.2.3 数据保护12纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。4.2.4 程序存储器芯片写操作13颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.2.5 程序存储器芯片擦除13濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.2.6芯片操作模式特征13銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.3程序编译13挤貼綬电麥结鈺贖哓类。4.4程序烧写14赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。第五章电路调试15塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。5.1 软件调试15裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。5.2 硬件检测调试15仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。5.2.1 测试发现的问题15绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。5.2.2 测试结果15骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。第六章 结 语16瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。致 谢17鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。附录：18栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。参考文献19辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。18第一章 音乐喷泉的介绍喷泉是人工水体环境中最富有生命力的景观，动态水体、静态水体与各式建筑、园林及其艺术小品的相结合，可以创造出变化多端、风格各异的艺术环境，具有一种空间层次的分隔、生活环境的美化以及空气的净化等作用。以现代高科技为墓础的音乐喷泉，把水体、音乐和灯光通过电脑有机的结合在一起，给人以声情并茂、活泼欢快的艺术享受.峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。1.1 音乐喷泉的发展近年来随着我国科技、经济、社会的发展，城市道路、广场绿化的建设，水景工程在各地得到了迅猛发展，音乐喷泉的开发与研制工作蒸蒸日上。正如所述，以往的城市建筑、水景园林、艺术小品中常见的溪流、假山、瀑布等，已经不能满足人们的需求，以高新技术为主的各种新型水景工程:现代雕塑、音乐喷泉、激光水幕电影、超高喷泉、超大瀑布、百米跑泉、跳跳泉等，都在我国相继出现，产品也走向了市场。我国喷泉技术的发展，可以说是形势很好、速度很快、前景乐观，在这个领域有巨大的潜力和市场。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。音乐喷泉系统的开发是多方面的其中，计算机智能控制将是主要内容之一，或者说，智能音乐喷泉将是未来产品的发展趋势。目前音乐喷泉系统在计算机智能控制方面仍然是欠缺的，多数的喷泉系统是程序控制类型的.该类系统需要通过人工离线的预编辑程序处理.这不仅工作量很大，而且程序员对音乐中许多内容的表现只能进行简化处理，并缺乏准确性.一些具有实时控制功能的音乐喷泉系统也是处于初级阶段.这当中主要是以音量这一要素进行实时控制，并存在许多问题。例如，音乐与喷泉和谐、同步的控制问题;对于某些曲子和某些乐器的旋律，该系统表现力平淡，给人以不畅快的感觉等.目前还没有看到综合音乐中音量、音色、节拍、及旋律而实现音乐表现力的智能控制系统.应该说这一研究是极具难度的.这里不仅是包含了音乐信号的处理，同时它还体现了艺术的再创造. 由此看来，“智能音乐喷泉系统”的研究与开发是一项长期的工作.可以认为，智能化音乐喷泉系统的研究与开发具有较大的经济效益与社会效益。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。值得关注的是.近一两年来变化多异的百米跑泉，新颖别致的跳跳泉，完全音控的几十米的超高喷泉等水型的出现，体现出了我国在音乐喷泉这一行业，乃至水景艺术方面的潜力和智慧，无论是造型还是软硬件的设计与安装无不体现出了高新技术在娱乐产业的应用.正如作曲家创作乐曲，文学家写诗歌、小说，都有一套表情达意的体系，即音乐语言、文学手法，音乐喷泉控制系统也有其自己表现音乐的规则和 “语言”。作曲家的音乐语言包括很多要素:旋律、节拍、速度、力度、音区、音色、和声等.一首音乐作品的思想内容和艺术美，要通过多种要素的综合才能表现出来。而音乐喷泉则是通过改变各种水帘、水幕、水柱的喷射强度、流态、运行方式和色彩缤纷的水下彩灯来表现音乐作品的内容与艺术美，可以说灯光、水型就是音乐喷泉的语言要素，虽然他们在表现音乐的内容的形式和作用不同。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。现有的音乐喷泉的控制有各种各样，而音乐喷泉控制系统对音乐信号(即作曲家的音乐语言)的提取大多数仍然是通过采用硬件采集卡:音频的模拟信号通过信号处理器转成数字信号，然后经过D-A转换，把数字信号转成模拟信号，用以控制喷泉的执行机构:潜水泵、变频器、电磁阀、水下彩灯。这有很大缺陷，如提取有效成分少，对于不同曲目适应能力差，需要人工不断调整，而且音乐文件通过CD-ROM或CD机等外围设备播放，不能形成乐曲库，并且乐曲的分段不精确，音乐表现力单一等.鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。1.2音乐喷泉的现状以“墓于乐曲的节拍识别为基础的多媒体音乐喷泉智能控制系统”，是在中国科学院自动化所硕士论文 “电脑动画音乐喷泉，何宇飞 1994”的墓础之上提出来的.经历了由DOS系统到WINDOWS系统稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。的更新;由音乐要素的硬件处理到软件的识别、提取;由系统的硬件延时器到软件延时的同步处理;由喷泉配曲方案的人工的操作到计算机的辅助编程、组态，使整个系统的功能更加完善，操作更加简单，程序运行更加安全、可靠。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。“基于乐曲的节拍识别为墓础的多媒体音乐喷泉智能控制系统”，整个控制系统采用如下所述的技术方案:计算机的音乐信号分为两个信道A和B，音乐信号人经过计算机的数字音频信号处理软件包，进行音乐要素的特征识别和提取，形成各种控制信号，即低音、中音、高音、节拍;再墓于“专家配曲知识库”，选择 “声、光、水流”的表现形式，然后由计算机并口，经过控制器，离散的控制信号经数字隔离输出卡输出模拟信号，信号经保护装置及相应驱动给喷泉的执行机构:潜水泵、变频器、电磁阀、水下彩灯，用以控制各种水帘、水幕、水柱的要延迟于音乐信号 人，因此信号B需要经过一段延迟后输送给控制器和音响系统，来保证水体、灯光的变化与音乐同步，和谐。喷射强度、流态、运行方式及灯光的变化;同时音乐信号 B由于潜水泵、电磁阀的机械惯性，响应时间沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。第二章 整体方案设计与选择本论文中设计了两种设计方案：方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制器的设计方案二：基于数字集成电路音乐喷泉控制器的设计以下分别对两种方案经行详解。2.1基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制器的设计2.1.1音乐前馈补偿控制为了解决音乐喷泉音控相应滞后的问题，可以在计算机控制的音乐喷泉控制中用计算机对音乐信号进行处理，也就是把代表音乐强度的控制信号先于音乐信号输出，采取音乐前馈的控制方案，可以解决音乐喷泉响应滞后的问题，实现音乐广播与音乐喷泉输出动作的协调。音乐前馈控制的基本内容是对音乐声强的采样和前馈输出制。在音乐喷泉控制方 案设计时，应对音乐信号进行采样并做前馈处理。即在控制输出时把系统播放的音乐信号只送到扬声器输出，而用具有前馈控制特点的音乐声强信号来控制音乐喷泉输出设备。由于一个音乐喷泉控制系统的音乐控制响应时间基本固定，因此，只要确定恰当的前馈时间常数，并采用音乐前馈补偿控制的方法，就可以在一定范围内使观众听到的音乐与看到的喷泉控制输出达到同步。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。2.1.2 硬件A/D转换方案的实现实现音乐喷泉前馈控制的重点是对音乐信号的声强进行采样。基于A/D 转换器硬件电路来实现音乐声强采样的电路结构框图如图2.1所示。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。图2.1音乐声强采样电路硬件框图该电路可将计算机输出的背景音乐信号经过简单的整流滤波电路处理之后送入A/D转换器进行声强采样，电路中选择了低成本的ADC0809作为硬件A/D转换器，采样时钟选择640 kHz，转换时间约0.1 ms，每次采样结束后，微控制器都通过串行通信接口直接将采样结果发送给上位计算机。这样，根据音乐喷泉控制系统每0.1秒输出一组控制信号的实际控制需要，上位计算机便可在进行音乐信号采样的过程中，每0.1秒接收并保存一个实时采样数据。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。图形曲线的横轴为时间，显示的幅度值为对应时刻音乐输出信号经过整流滤波处理后的A/D转换值 。该音乐采样控制界面上还设置了相应的数据处理功能键，故可在音乐采样后完成相应的数据处理。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。在音乐输出控制信号的处理方面，可以整体调整音控信号的度，也可以对音乐输出控制信号的局部进行调整。在克服音乐喷泉控制系统的音乐控制响应滞后问题方面，可以参考实际音乐喷泉控制系统的延迟时间，利用“超前”和“滞后调整按钮来实现超前或滞后时间调整，以对音乐采样信号进行前馈补偿处理。在音乐喷泉控制输出时，控制系统在播放音乐和输出设备开关控制信号的同时，可将经过处理后的音乐采样信号经过D/A转换器输出，以便把数字信号转换成模拟信号后直接控制变频器从而实现音乐对喷泉的控制。在基于硬件 A/D转换的音乐信号采样控制方案中，对音乐信号的采样主要是在以单片机为核心的音乐喷泉控制器中实现的。放大后的音乐信号经过硬件电路整流滤波后，将送入A/D 转换器进行采样，采样数据可直接反映采样时刻的音乐信号强度。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。在硬件A/D转换控制方案中，喷泉控制器接受计算机的控制命令以及接收开关量输出控制信号的中断服务程序框图。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。图2.2所示是A/D转换采样数据处理主程序流程图。系统在A/D转换时，主程序可连续进行A/D转换和转换结果的通信传输系统每秒可以完成100次采样和传输，而且一直进行采样和传输，直到喷泉控制器接收到停止采样控制命令。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。图2.2采样数据处理主程序流程图对应于上位计算机的音乐采样程序，在启动音乐播放之后，系统每0.1秒也会读一个采样数据，同时记录并显示当前采样音乐“声强”幅度曲线。这样，当音乐采样结束后，还可以对采样后的“声强”采样数据进行处理，处理内容包括声强信号的幅度调整及前馈控制时间的调整与设置等，最后可将全部采样数据和设置信息保存，以备喷泉控制输出时应用。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。2.2 基于全数字集成电路音乐喷泉控制器的设计2.2.1 设计思想音乐经过峰值检波后，得到和音量大小相关的控制电压，将此控制电压，经过简单的A/D转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。2.2.2 总体设计框图音乐信 号隔 离驱 动峰 值检 波A/D转换存储器彩灯水泵图2-3音乐喷泉控制器电路方框图2.2.3峰值检波电路设计检波电路如图2-4所示，由检波二极管Vd1和C1电容组成，音响信号由XS输入，经Rw1控制分压，Vd1,C1峰值检波，输出得到和音量大小相关的电压值。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。图2-4 检波电路2.2.3 A/D转换电路设计音响信号经Vd1,C1峰值检波后，得到和音量高低相关的电压值，再经R1送到IC1（LM339）和IC2(LM339)组成的比较电路，与R3和R10分得的固定电压，经行比较，从而在IC1和IC2的输出端产生8位二进制数字信号。电路如图2-5所示：攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。图2-5 A/D转换电路LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。2.2.4存储器设计电路对存储器的要求不高，一般的存储器就可以达到要求，考虑到使用的方便，选择EEPROM AT28C64B。EEPROMAT28C64介绍，B快速读取时间150纳秒,自动页写操作,内部地址和数据锁存为64字节,快速写周期,页写周期时间：10毫秒最大,1至64字节的页写操作,低功耗,40毫安有功电流,100安的CMOS待机电流,硬件和软件数据保护,数据投票和点位的切换完收件检测,高可靠性的CMOS工艺,耐力：100,000次 数据保存：10年,单一5V供应10。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。该AT28C64B是一种高性能电可擦除和可编程只读只有存储器（EEPROM）。其64K的内存是组织8192字的8位。制造与Atmel先进的非易失性的CMOS技术，该器件提供存取时间为150纳秒的功耗只有220毫瓦。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。易于擦除修改，64K容量，使用方便，所以选择此存储器。2.3方案比较选择方案一：基于硬件电路采样的前馈补偿音乐喷泉控制的设计此方案优点是新型音乐喷泉控制方法的采样结果可以直接反映音乐强度，并由喷泉控制器与上位机配合工作来实现数据的采集与处理，该方法每0.1秒采样一次数据。当利用前馈补偿方式控制输出时，前馈控制时间完全可由设置的“前馈”时间确定，故可满足实际音乐喷泉前馈补偿控制的需要。可由于硬件条件的限制以及能力的要求较高，实施较困难。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。方案二：基于全数字集成电路音乐喷泉控制器的设计此方案设计分为音控、程控两用的音乐喷泉控制器。控制三组不同颜色的彩灯，五台不同喷泉造型的水泵。音控、程控可用开关手动切换。程控的速度可用电位器调节。音控时，输入音乐的音量直接控制彩灯，音乐音量小则彩灯打开的组数少，音量大则彩灯打开的组数多。整个电路设计简单，通用，基于工程背景，具有可行性。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。基于以上综合分析，方案二被采纳。第三章 基于数字集成电路音乐喷泉控制器硬件电路设计3.1音乐喷泉控制系统整体设计控制系统总体包括六部分模块：1)音乐信号的采集模块 2）峰值检波电路模块 3）A/D转换电路模块 4）存储器模块 5）隔离驱动电路模块 6）负载模块緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。3.2电路设计原理及方框图音乐经过峰值检波后，得到和音量大小相关的控制电压，将此控制电压，经过简单的A/D转换变成数字信号后，去控制存储器芯片的地址，该存储器地址对应的数据信号就会输出，输出信号经隔离驱动后就去推动彩灯工作。如图3-1,用存储器芯片作输出的音乐喷泉控制其电路框图。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。峰 值检 波A/D转换存储器隔 离驱 动彩灯水泵音乐信 号图3-1电路设计整体方框图3.3峰值检波电路设计检波电路如图3-2所示，由检波二极管Vd1和C1电容组成，音响信号由XS输入，经Rw1控制分压，Vd1,C1峰值检波，输出得到和音量大小相关的电压值。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。图3-2 检波电路3.4 A/D转换电路设计音响信号经Vd1,C1峰值检波后，得到和音量高低相关的电压值，再经R1送到IC1（LM339）和IC2(LM339)组成的比较电路，与R3和R10分得的固定电压，经行比较，从而在IC1和IC2的输出端产生8位二进制数字信号。电路如图3-3所示：镞锊过润启婭澗骆讕瀘。图3-3 A/D转换电路3.4.1 LM339芯片介绍：在此电路中，由两块LM339芯片组成比较电路，完成A/D转换功能。把音响信号，转换成数字信号，有效数字信号对应音量从低到高分别是：00H,01H,03H,07H,0FH,1FH,3FH,7FH和0FFH。芯片LM339介绍如下：榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。3.5 输出信号优先编码电路音响信号经Rw1控制分压，Vd1,C1峰值检波，再经R1送到IC1和IC2组成的比较电路，与R3和R10分得的固定电压，经行比较，从而在IC1（LM339）和IC2(LM339)的输出端产生8位二进制数字信号，有效数字信号对应音量从低到高分别是：00H,01H,03H,07H,0FH,1FH,3FH,7FH和0FFH。这9个数字经IC3优先码编织器74LS148,又变成为从000B111B这8个二进制数，同时也影响到74LS148的GS和E0的输出，从优先码编织器的编码输出来看，其中000B对应的音量最弱，111B对应的音量最强。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。3.5.1 74LS148芯片介绍74LS148芯片是8线3线优先编码器，共有 54/74148 和 54/74LS148 两种线路结构型式。74LS148将8条数据线（07）进行3线(4-2-1)二进制（八进制）优先编码，即对最高位数据线进行译码。利用选通端（EI）和输出选通端（EO）可进行八进制扩展。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。管脚图引出端符号：07 编码输入端(低电平有效)，EI： 选通输入端(低电平有效)，A、B、C： 编码输出端(低电平有效)，GS： 宽展端(低电平有效)，EO： 选通输出端。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。功能表：说明：H高电平 L低电平 X任意值3.6 程控地址发生器电路设计程控地址发生器直接采用CD4060芯片如图3-4所示。此电路由Rw2控制地址变化的速率。当Rw2调到最小时，时钟周期约为2.2*10k*4.7uf=0.1s, Rw2最大的时钟周期约为1.1s,由于输出的最低速率是Q4,因此调节Rw2可以使地址变化一次的时间是在1.6s18s之间。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。程控地址输出分为两组，一组直接给存储器（AT28C64B）的低7位地址，另一组直接送到地址切换开关(CD4060).鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。图3-4程控地址发生器电路图3.6.1 CD4060芯片的介绍CD4060是由一个震荡器和14级二进制串行计数器组成，震荡器的结构可以是RC 或晶振电路。CR为高电平时，计数器清零且振荡器使用无效，所有的计数器位均为主从触发器。在 CP1（和 CP0）的下降沿计数器以二进制进行计数，在时钟脉冲线上使用施密特触发器对时钟上升和下降时间无限制。 电源电压范围：0.5V18V，输入电压范围：0.5VVDD+0.5V， 输入电流：10mA 储存温度范围：65150穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。3.7地址切换开关和存储器芯片电路设计地址切换开关采用CD4053芯片,存储器可采用2k字节的EPROM或EEPROM（2716或2816）。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。如图3-5，地址切换开关靠手动SW1控制，SW1闭合时为程控，此时存储器的地址线A10为低电平，地址线A7、A8、A9经地址切换开关IC5由程控地址发生器的Q12、Q13、Q14控制，地址线从A0A6由程控地址发生器的Q4Q10控制，因而程控共有8组程序，每组程序共有128 步变化，共1024步变化，并且每组128步变化会自动重复一遍。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。SW1断开时为音控，此时存储器的地址线A10为高电平，地址线A7,A8,A9经地址切换开关IC5由音乐A/D转换电路IC3控制；因而音响信号的强弱将存储器的高四位地址分成1000B1111B8租，其中1000B信号最弱，1111B信号最强，而每组内部也同样有128步变化。根据各组音响信号的强弱和彩灯的配置情况，就能使多姿的喷头造型和缤纷的水上灯光产生出奇特的艺术效果。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。图3-5地址切换开关和存储器芯片电路3.7.1 CD4053芯片介绍CD4053是三个2通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端 1C3C 和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.520V 的数字信号可控制峰峰值至 20V 的模拟信号。例如，若 VDD5V，VSS0，VEE13.5V，则05V 的数字信号可控制13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个 VDDVSS 和 VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 INH 输入端“1”时，所有的通道截止。二位二进制信号选通 4 通道中的一通道，可连接该输入端至输出。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。CD4053 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。电源电压范围：3V15V，输入电压范围：0VVDD引出端排列：引出端符号：I0/O0I1/O1：输入输出端，INH：禁止端，O/I：公共输出/输入端，VDD：正电源，VEE：模拟信号地嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。3.8隔离驱动电路的设计电路存储器的8位输出要带动彩灯和水泵，应该进行隔离和驱动，这部分电路如图3-6所示。首先存储器的输出用三极管放大，再通过光耦去触发双向可控硅，最后由双向可控硅控制负载。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。图3-6用过零光耦合触发器可采用过零触发光耦MOC3041。采用普通光耦则可以用此图电路。电路中强电侧的直流电压要另行制作，不能与弱电部分共地。图中提供给双向可控硅触发电流的电阻功率要足够大，否则电阻会因发热损坏。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。隔离电路中要注意的有8个基本单元重复的单元电路：从负载所需的功率得出所需要的可控硅电流参数，然后根据可控硅的触发电流去设计图中的限流电阻的具体值和功率大小，设计中要注意强电和弱电的隔离。 绅薮疮颧訝标販繯轅赛。第四章