易金橋，孫先波，譚建軍，艾 青

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施445000)

舞臺(tái)表演是將聽覺藝術(shù)與視覺藝術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種藝術(shù)表現(xiàn)形式．造型新穎、色彩豐富、節(jié)奏和諧的舞臺(tái)燈光可以渲染氣氛，增強(qiáng)舞臺(tái)表演的藝術(shù)效果．目前，國內(nèi)外常用的舞臺(tái)燈主要有如下三種控制方法［1－2］．第一種是在傳統(tǒng)舞臺(tái)燈的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加機(jī)械控制設(shè)備，需要專業(yè)的燈光師進(jìn)行手動(dòng)操作．第二種是由微處理器根據(jù)預(yù)置程序來控制舞臺(tái)燈，燈具按照預(yù)定程序和軌跡運(yùn)動(dòng)，與現(xiàn)場氛圍的協(xié)調(diào)性較差．第三種是采用電腦和先進(jìn)燈光控制設(shè)備，效果好，價(jià)格昂貴，在大型舞臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛．但是，現(xiàn)有的舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)都存在燈光效果與音樂情景相關(guān)性較差的問題．雖然有些舞臺(tái)燈能夠根據(jù)聲音響度的變化而變化，但是完全沒有考慮音樂的節(jié)奏，燈光效果也不夠理想．節(jié)奏是音樂的靈魂，如果舞臺(tái)燈的變化速度與音樂節(jié)奏的變化不協(xié)調(diào)，將很難達(dá)到人們所期望的舞臺(tái)藝術(shù)效果．

基于上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于SPCE061A 的舞臺(tái)燈智能控制系統(tǒng)，通過對功放設(shè)備輸出的音頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理、電子分頻、特征量提取和數(shù)據(jù)采集，利用SPCE061A 對數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光系統(tǒng)的智能控制，提供了一種低成本、低功耗、可靠性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案．

1 系統(tǒng)原理

采用SPCE061A 作為系統(tǒng)控制核心，將采集到的音頻信號(hào)進(jìn)行綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到控制舞臺(tái)燈效果的目的．為了使舞臺(tái)燈能在工作時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、定位精確，采用電子分頻技術(shù)、自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集算法、電機(jī)漸變調(diào)速控制、外圍電路保護(hù)等措施，確保舞臺(tái)燈的智能控制．為了能實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光與音樂節(jié)奏的完美結(jié)合，本文提取了音樂頻率和音量兩個(gè)重要的數(shù)據(jù)采集特征量，通過對外部功放設(shè)備輸出音頻信號(hào)進(jìn)行電子分頻，分別對高、中、低三個(gè)頻段的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入到SPCE061A 進(jìn)行綜合分析，識(shí)別出音樂的頻率段與音量，然后根據(jù)音樂的頻率調(diào)整采樣的時(shí)間間隔，采用自適應(yīng)數(shù)據(jù)采樣算法判別音樂的音量與頻率，同時(shí)由SPCE061A 根據(jù)采集數(shù)據(jù)來匹配一種舞臺(tái)燈光效果來渲染當(dāng)前的音樂旋律．系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示．

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig．1 System principle block diagram

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)

SPCE061A［3－5］是 一 款 具 有2K 靜 態(tài)RAM、32K Flash、32 個(gè)I/O 口，并集成了A/D和/D/A 功能的16 位微處理器，它還擁有豐富的語音處理功能，為舞臺(tái)燈控制系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供了豐富的內(nèi)部資源．本文正是利用SPCE061A 豐富的中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對各種信號(hào)的采集和快速處理，來控制舞臺(tái)燈完成相應(yīng)的動(dòng)作．

2．2 語音信號(hào)采集與濾波

音樂特征量的數(shù)據(jù)采集是對外部功放設(shè)備輸出端子的音頻信號(hào)進(jìn)行采集［4－5］．本系統(tǒng)直接采集功放設(shè)備的輸出的音頻信號(hào)，不需要進(jìn)行任何放大處理．由于在信號(hào)采集過程中，可能會(huì)給電路帶來干擾，所以需要對采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理，處理后的信號(hào)頻帶寬為10 Hz～15 KHz．

2．3 電子分頻電路

電子分頻電路［6－7］主要由一個(gè)四運(yùn)放TL084 和一個(gè)低噪聲J 型輸入的三極管9014 組成，原理圖如圖2所示． 其中U1 構(gòu)成電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)阻抗變換，U2 和U4 分別構(gòu)成二階有源高通濾波電路和有源低通濾波電路，U3 和9014 構(gòu)成有源帶通濾波電路． 按照電路所給出的元件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻段的分頻，低頻段頻率為10～700 Hz，中頻段頻率為700Hz～5kHz，高頻段頻率為5～15 kHz．

圖2 電子分頻電路Fig．2 Frequency division circuit

2．4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片L298N 設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路．L298N 芯片是內(nèi)部含兩個(gè)H 橋的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)二相或者四相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46 V、驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)2．5 A．采用一組脈沖控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)用兩個(gè)I/O 口的電平信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)．該電路設(shè)計(jì)原理簡單，電路結(jié)構(gòu)合理，抗干擾能力強(qiáng)．電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示．

采用IN1、IN2 控制Y 軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，ENA 輸入的脈沖控制Y 軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速;IN3、IN4 控制Z 軸電機(jī)的方向，ENB 輸入的脈沖控制Z 軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如表1 所示．

表1 L298N 邏輯功能Tab．1 L298N Logic function

2．5 保護(hù)電路與舞臺(tái)燈的亮度控制

由于舞臺(tái)燈光是采用交流電壓供電，因此必須設(shè)計(jì)可靠的保護(hù)電路． 本文采用了雙向可控硅實(shí)現(xiàn)對舞臺(tái)燈開關(guān)的控制，利用可控硅的導(dǎo)通角度調(diào)整燈光的亮度． 采用光電耦合器隔離電路，將強(qiáng)電系統(tǒng)與控制系統(tǒng)隔離，防止對主控系統(tǒng)造成干擾．光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管組合起來的器件，由于其抗干擾能力強(qiáng)，容易完成電平匹配和轉(zhuǎn)換．燈光亮度的控制電路如圖4 所示．

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig．3 Motor drive circuit

圖4 燈光亮度的控制電路Fig．4 Control circuit for lamp brightness

2．6 燈頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示．底座上的Z 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)燈架在水平方向360°轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在燈架上的Y 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)燈體在垂直方向270°轉(zhuǎn)動(dòng)，其的運(yùn)動(dòng)范圍為3/4 個(gè)球面．

圖5 舞臺(tái)燈機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig．5 Stage light mechanical structure diagram

舞臺(tái)燈體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示． 燈體內(nèi)安裝有兩個(gè)功率較小的電機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)顏色、圖案的控制．光源采用的是高亮度燈泡，圖案轉(zhuǎn)盤和顏色轉(zhuǎn)盤是在邊沿均勻分布有數(shù)個(gè)圓孔的轉(zhuǎn)盤，圖案轉(zhuǎn)盤的圓孔中裝的是帶鏤空圖案的薄片，顏色轉(zhuǎn)盤的圓孔內(nèi)裝有不同顏色的玻璃，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)圓孔對準(zhǔn)光軸．光源發(fā)出的強(qiáng)烈白光通過圖案轉(zhuǎn)盤和顏色轉(zhuǎn)盤后，形成特定形狀和顏色的光柱，實(shí)現(xiàn)需要的藝術(shù)效果．

圖6 舞臺(tái)燈體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig．6 Stage light inside structure diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 系統(tǒng)主體流程圖

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，作出系統(tǒng)的主流程圖［8］如圖7所示．

圖7 主函數(shù)流程圖Fig．7 Flow chart of the main function

3．2 音樂特征量的采集與識(shí)別

音樂節(jié)奏反映到觀眾感官上的變化就是音量的高低起伏與節(jié)拍的變化，而節(jié)拍是強(qiáng)拍和弱拍的規(guī)律組合，強(qiáng)拍和弱拍又是由多個(gè)音階組成，每一個(gè)音階由頻率決定，故音樂的特征量可以歸結(jié)為音量與頻率，由于音樂的音量和頻率在不斷變化，因此采用自適應(yīng)采集算法［9－11］進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該算法根據(jù)音樂信號(hào)頻率的變化來自動(dòng)調(diào)整采樣時(shí)間間隔．

音量高低的變化反映到采集信號(hào)的波形上就是其振幅變化，即音量大小與波形的幅值大小成正比，采樣這種波形某一點(diǎn)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后就對應(yīng)為一組二進(jìn)制碼值，這樣就將音量對應(yīng)編碼為一種計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)值．在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)舞臺(tái)燈光效果，設(shè)定n個(gè)門限閥值M1、M2、……、Mn，在設(shè)定的一段采樣時(shí)間T內(nèi)可以比較出一個(gè)最大值A(chǔ)k并保存，經(jīng)過一段采樣間隔ΔT后，進(jìn)行下一次時(shí)間同為T的采樣，可以在該時(shí)間內(nèi)比較出一個(gè)最大值A(chǔ)k+1，并將當(dāng)前的最大值與前一次采樣得到的最大值進(jìn)行差值比較，即ΔAk=Ak+1－Ak，將ΔAk與Mk進(jìn)行比較，每對應(yīng)一個(gè)閥值段，就有一種燈光效果的子程序．考慮到音樂的頻率在不斷變化，如果音樂信號(hào)的頻率較大，其對應(yīng)的信號(hào)周期就較小，采樣間隔時(shí)間也要相應(yīng)的調(diào)小，才能準(zhǔn)確反映出音量的變化;如果信號(hào)的頻率較小，信號(hào)采樣間隔時(shí)間需要調(diào)大，在信號(hào)進(jìn)行采樣前本文已經(jīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)把信號(hào)分成三個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)部變化比較平緩，故把三個(gè)頻率段的信號(hào)對應(yīng)調(diào)節(jié)三種采樣間隔時(shí)間，高頻段調(diào)節(jié)的時(shí)間為ΔT1，中頻段調(diào)節(jié)的為ΔT2，低頻段調(diào)節(jié)的為ΔT3，其中ΔT的關(guān)系為ΔT1＜ΔT2＜ΔT3，具體算法流程圖如圖8 所示．

圖8 自適應(yīng)采集算法流程圖Fig．8 Adaptive sampling algorithm flow chart

3．3 燈光效果的設(shè)計(jì)

燈光效果的設(shè)計(jì)思想主要是通過控制系統(tǒng)對燈頭動(dòng)作與音樂特征量進(jìn)行兩個(gè)層次的匹配，即音量匹配和頻率匹配． 音量匹配是指根據(jù)音樂的高低起伏為各個(gè)樂段找到合適的基本運(yùn)動(dòng)程序，即用于表現(xiàn)某一特定情感特征量的典型動(dòng)作序列．頻率匹配則是為特定的特征量安排特定的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作．這兩個(gè)層次的匹配過程也就是舞臺(tái)燈頭運(yùn)動(dòng)子程序的設(shè)計(jì)過程，最終達(dá)到燈光效果與音樂旋律的完美結(jié)合．

3．4 步進(jìn)電機(jī)的控制

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)與當(dāng)前坐標(biāo)的差，程序確定電機(jī)下一步運(yùn)動(dòng)的方向，每運(yùn)行一步，便記住電機(jī)實(shí)際坐標(biāo)，完成一次控制循環(huán)．由于舞臺(tái)燈的運(yùn)動(dòng)是隨音樂節(jié)奏變化而變化，高速運(yùn)行時(shí)，如果突然改變運(yùn)動(dòng)方向或速度，燈體會(huì)由于的慣性而劇烈抖動(dòng)，因此主軸電機(jī)的啟停和加減速過程要求平滑、穩(wěn)定，本文采用步進(jìn)電機(jī)的加減速控制和自適應(yīng)調(diào)速算法實(shí)現(xiàn)．

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出給步進(jìn)電機(jī)一系列脈沖，電機(jī)速度直接對應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的輸出脈沖頻率，在編程時(shí)，通過改變控制脈沖的周期便可控制電機(jī)的加減速，即加速過程中的周期逐漸變小，為使算法簡便，可令步進(jìn)電機(jī)從起動(dòng)周期TS以某一恒定間隔ΔT減少至Tm，并將加速階段均分為N段:

各段周期為:

編程過程中，首先完成加減速期間脈沖周期的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果制表，運(yùn)行時(shí)采用查表方式，加速時(shí)正向查表，減速時(shí)反向查表．

自適應(yīng)調(diào)速算法是將電機(jī)當(dāng)前位置(N)和目標(biāo)位置(R)進(jìn)行比較．當(dāng)R＞N時(shí)，電機(jī)的下一轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎?當(dāng)R＜N時(shí)，電機(jī)的下一轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)榉崔D(zhuǎn);當(dāng)R=N時(shí)，電機(jī)維持當(dāng)前狀態(tài)不變．確定轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，可將運(yùn)行狀態(tài)定義為以下4 種:停止、加速、勻速、減速．各狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的具體判別方法如下(以當(dāng)前正轉(zhuǎn)為例)．

如果R＞N，則保持正轉(zhuǎn)．①當(dāng)前狀態(tài)為停止，則轉(zhuǎn)為加速;②當(dāng)前為加速，則繼續(xù)沿加速曲線加速至恒速段后，跳轉(zhuǎn)到③執(zhí)行;③當(dāng)前為恒速，則繼續(xù)保持恒速運(yùn)行，直至R-N＜L(減速距離)時(shí)，由恒速轉(zhuǎn)為減速，置標(biāo)志位P=1，跳轉(zhuǎn)到④;④當(dāng)前為減速，如果P=1，則沿減速曲線減速直至停止，否則從當(dāng)前的速度沿加速曲線加速，跳轉(zhuǎn)到②執(zhí)行．

如果R＜N，①當(dāng)前狀態(tài)為停止，則直接跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速運(yùn)行;②當(dāng)前為加速，則從當(dāng)前速度沿減速曲線減速至一定速度后，跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速;③當(dāng)前為恒速，則轉(zhuǎn)為減速，減至一定速度后跳轉(zhuǎn)至反轉(zhuǎn)加速;④當(dāng)前為減速;減速至一定速度后跳轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)加速．當(dāng)前為反轉(zhuǎn)情況下的判斷與上面類似．舞臺(tái)燈步進(jìn)電機(jī)控制流程圖如圖9 所示．

圖9 步進(jìn)電機(jī)控制流程框圖Fig．9 Stepper motor control flow diagram

4 結(jié)語

通過采集功放設(shè)備輸出的音樂信號(hào)，識(shí)別音樂信號(hào)頻率和音量等特征值，采用SPEC061A 對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光效果的智能化控制，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用．在數(shù)據(jù)采樣與特征量識(shí)別的過程中，由于音樂信號(hào)的隨機(jī)性，采用了數(shù)量級估算的方法和自適應(yīng)采集算法．本文只給出控制一個(gè)舞臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方案，如果要控制多個(gè)舞臺(tái)燈可以采用同樣的方法，增加多個(gè)控制子系統(tǒng)和一個(gè)總控系統(tǒng)，采用多機(jī)通訊方式，控制整個(gè)舞臺(tái)的燈光效果，可以廣泛應(yīng)用于各種不同規(guī)模的舞臺(tái)設(shè)計(jì)．

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