基于SPCE061A 的舞台灯智能控制系统设计

易金桥，孙先波，谭建军，艾 青

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施445000)

舞台表演是将听觉艺术与视觉艺术有机结合的一种艺术表现形式．造型新颖、色彩丰富、节奏和谐的舞台灯光可以渲染气氛，增强舞台表演的艺术效果．目前，国内外常用的舞台灯主要有如下三种控制方法［1－2］．第一种是在传统舞台灯的基础上进行改进，增加机械控制设备，需要专业的灯光师进行手动操作．第二种是由微处理器根据预置程序来控制舞台灯，灯具按照预定程序和轨迹运动，与现场氛围的协调性较差．第三种是采用电脑和先进灯光控制设备，效果好，价格昂贵，在大型舞台设计中应用广泛．但是，现有的舞台灯控制系统都存在灯光效果与音乐情景相关性较差的问题．虽然有些舞台灯能够根据声音响度的变化而变化，但是完全没有考虑音乐的节奏，灯光效果也不够理想．节奏是音乐的灵魂，如果舞台灯的变化速度与音乐节奏的变化不协调，将很难达到人们所期望的舞台艺术效果．

基于上述问题，本文设计了一种基于SPCE061A 的舞台灯智能控制系统，通过对功放设备输出的音频信号进行滤波处理、电子分频、特征量提取和数据采集，利用SPCE061A 对数据处理，实现舞台灯光系统的智能控制，提供了一种低成本、低功耗、可靠性强的设计方案．

1 系统原理

采用SPCE061A 作为系统控制核心，将采集到的音频信号进行综合分析，根据分析结果控制电机驱动电路，达到控制舞台灯效果的目的．为了使舞台灯能在工作时运行平稳、定位精确，采用电子分频技术、自适应数据采集算法、电机渐变调速控制、外围电路保护等措施，确保舞台灯的智能控制．为了能实现舞台灯光与音乐节奏的完美结合，本文提取了音乐频率和音量两个重要的数据采集特征量，通过对外部功放设备输出音频信号进行电子分频，分别对高、中、低三个频段的信号进行模数转换，把转换的数据输入到SPCE061A 进行综合分析，识别出音乐的频率段与音量，然后根据音乐的频率调整采样的时间间隔，采用自适应数据采样算法判别音乐的音量与频率，同时由SPCE061A 根据采集数据来匹配一种舞台灯光效果来渲染当前的音乐旋律．系统原理框图如图1 所示．

图1 系统原理框图Fig．1 System principle block diagram

2 系统的硬件设计

2．1 控制系统

SPCE061A［3－5］是 一 款 具 有2K 静 态RAM、32K Flash、32 个I/O 口，并集成了A/D和/D/A 功能的16 位微处理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为舞台灯控制系统的功能扩展提供了丰富的内部资源．本文正是利用SPCE061A 丰富的中断系统来实现对各种信号的采集和快速处理，来控制舞台灯完成相应的动作．

2．2 语音信号采集与滤波

音乐特征量的数据采集是对外部功放设备输出端子的音频信号进行采集［4－5］．本系统直接采集功放设备的输出的音频信号，不需要进行任何放大处理．由于在信号采集过程中，可能会给电路带来干扰，所以需要对采集信号进行滤波处理，处理后的信号频带宽为10 Hz～15 KHz．

2．3 电子分频电路

电子分频电路［6－7］主要由一个四运放TL084 和一个低噪声J 型输入的三极管9014 组成，原理图如图2所示． 其中U1 构成电压跟随器，实现阻抗变换，U2 和U4 分别构成二阶有源高通滤波电路和有源低通滤波电路，U3 和9014 构成有源带通滤波电路． 按照电路所给出的元件参数，可以实现三个频段的分频，低频段频率为10～700 Hz，中频段频率为700Hz～5kHz，高频段频率为5～15 kHz．

图2 电子分频电路Fig．2 Frequency division circuit

2．4 电机驱动电路

采用电机驱动专用芯片L298N 设计电机驱动电路．L298N 芯片是内部含两个H 桥的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，能够驱动二相或者四相步进电机，驱动电压可达46 V、驱动电流可达2．5 A．采用一组脉冲控制主轴电机的转速，同时用两个I/O 口的电平信号控制步进电机的正反转．该电路设计原理简单，电路结构合理，抗干扰能力强．电机驱动电路如图3 所示．

采用IN1、IN2 控制Y 轴电机的转动方向，ENA 输入的脉冲控制Y 轴电机的转速;IN3、IN4 控制Z 轴电机的方向，ENB 输入的脉冲控制Z 轴电机的转速，如表1 所示．

表1 L298N 逻辑功能Tab．1 L298N Logic function

2．5 保护电路与舞台灯的亮度控制

由于舞台灯光是采用交流电压供电，因此必须设计可靠的保护电路． 本文采用了双向可控硅实现对舞台灯开关的控制，利用可控硅的导通角度调整灯光的亮度． 采用光电耦合器隔离电路，将强电系统与控制系统隔离，防止对主控系统造成干扰．光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管组合起来的器件，由于其抗干扰能力强，容易完成电平匹配和转换．灯光亮度的控制电路如图4 所示．

图3 电机驱动电路Fig．3 Motor drive circuit

图4 灯光亮度的控制电路Fig．4 Control circuit for lamp brightness

2．6 灯头机械结构设计

灯头的机械结构示意图如图5 所示．底座上的Z 轴电机驱动灯架在水平方向360°转动，安装在灯架上的Y 轴电机驱动灯体在垂直方向270°转动，其的运动范围为3/4 个球面．

图5 舞台灯机械结构示意图Fig．5 Stage light mechanical structure diagram

舞台灯体内部结构示意图如图6 所示． 灯体内安装有两个功率较小的电机，用来实现颜色、图案的控制．光源采用的是高亮度灯泡，图案转盘和颜色转盘是在边沿均匀分布有数个圆孔的转盘，图案转盘的圆孔中装的是带镂空图案的薄片，颜色转盘的圆孔内装有不同颜色的玻璃，转盘旋转时圆孔对准光轴．光源发出的强烈白光通过图案转盘和颜色转盘后，形成特定形状和颜色的光柱，实现需要的艺术效果．

图6 舞台灯体内部结构示意图Fig．6 Stage light inside structure diagram

3 系统软件设计

3．1 系统主体流程图

根据系统的功能要求，作出系统的主流程图［8］如图7所示．

图7 主函数流程图Fig．7 Flow chart of the main function

3．2 音乐特征量的采集与识别

音乐节奏反映到观众感官上的变化就是音量的高低起伏与节拍的变化，而节拍是强拍和弱拍的规律组合，强拍和弱拍又是由多个音阶组成，每一个音阶由频率决定，故音乐的特征量可以归结为音量与频率，由于音乐的音量和频率在不断变化，因此采用自适应采集算法［9－11］进行数据采集，该算法根据音乐信号频率的变化来自动调整采样时间间隔．

音量高低的变化反映到采集信号的波形上就是其振幅变化，即音量大小与波形的幅值大小成正比，采样这种波形某一点进行A/D转换后就对应为一组二进制码值，这样就将音量对应编码为一种计算机可以识别的数值．在实验过程中根据舞台灯光效果，设定n个门限阀值M1、M2、……、Mn，在设定的一段采样时间T内可以比较出一个最大值Ak并保存，经过一段采样间隔ΔT后，进行下一次时间同为T的采样，可以在该时间内比较出一个最大值Ak+1，并将当前的最大值与前一次采样得到的最大值进行差值比较，即ΔAk=Ak+1－Ak，将ΔAk与Mk进行比较，每对应一个阀值段，就有一种灯光效果的子程序．考虑到音乐的频率在不断变化，如果音乐信号的频率较大，其对应的信号周期就较小，采样间隔时间也要相应的调小，才能准确反映出音量的变化;如果信号的频率较小，信号采样间隔时间需要调大，在信号进行采样前本文已经根据信号的特点把信号分成三个频段，每个频段内部变化比较平缓，故把三个频率段的信号对应调节三种采样间隔时间，高频段调节的时间为ΔT1，中频段调节的为ΔT2，低频段调节的为ΔT3，其中ΔT的关系为ΔT1＜ΔT2＜ΔT3，具体算法流程图如图8 所示．

图8 自适应采集算法流程图Fig．8 Adaptive sampling algorithm flow chart

3．3 灯光效果的设计

灯光效果的设计思想主要是通过控制系统对灯头动作与音乐特征量进行两个层次的匹配，即音量匹配和频率匹配． 音量匹配是指根据音乐的高低起伏为各个乐段找到合适的基本运动程序，即用于表现某一特定情感特征量的典型动作序列．频率匹配则是为特定的特征量安排特定的旋转动作．这两个层次的匹配过程也就是舞台灯头运动子程序的设计过程，最终达到灯光效果与音乐旋律的完美结合．

3．4 步进电机的控制

步进电机的运动是根据目标坐标与当前坐标的差，程序确定电机下一步运动的方向，每运行一步，便记住电机实际坐标，完成一次控制循环．由于舞台灯的运动是随音乐节奏变化而变化，高速运行时，如果突然改变运动方向或速度，灯体会由于的惯性而剧烈抖动，因此主轴电机的启停和加减速过程要求平滑、稳定，本文采用步进电机的加减速控制和自适应调速算法实现．

电机驱动电路输出给步进电机一系列脉冲，电机速度直接对应驱动器的输出脉冲频率，在编程时，通过改变控制脉冲的周期便可控制电机的加减速，即加速过程中的周期逐渐变小，为使算法简便，可令步进电机从起动周期TS以某一恒定间隔ΔT减少至Tm，并将加速阶段均分为N段:

各段周期为:

编程过程中，首先完成加减速期间脉冲周期的计算，将计算结果制表，运行时采用查表方式，加速时正向查表，减速时反向查表．

自适应调速算法是将电机当前位置(N)和目标位置(R)进行比较．当R＞N时，电机的下一转动方向为正;当R＜N时，电机的下一转动方向为反转;当R=N时，电机维持当前状态不变．确定转动方向后，可将运行状态定义为以下4 种:停止、加速、匀速、减速．各状态间转换的具体判别方法如下(以当前正转为例)．

如果R＞N，则保持正转．①当前状态为停止，则转为加速;②当前为加速，则继续沿加速曲线加速至恒速段后，跳转到③执行;③当前为恒速，则继续保持恒速运行，直至R-N＜L(减速距离)时，由恒速转为减速，置标志位P=1，跳转到④;④当前为减速，如果P=1，则沿减速曲线减速直至停止，否则从当前的速度沿加速曲线加速，跳转到②执行．

如果R＜N，①当前状态为停止，则直接跳转至反转加速运行;②当前为加速，则从当前速度沿减速曲线减速至一定速度后，跳转至反转加速;③当前为恒速，则转为减速，减至一定速度后跳转至反转加速;④当前为减速;减速至一定速度后跳转为反转加速．当前为反转情况下的判断与上面类似．舞台灯步进电机控制流程图如图9 所示．

图9 步进电机控制流程框图Fig．9 Stepper motor control flow diagram

4 结语

通过采集功放设备输出的音乐信号，识别音乐信号频率和音量等特征值，采用SPEC061A 对数据进行实时处理，控制步进电机的运动状态，实现舞台灯光效果的智能化控制，该系统设计简单，经济实用．在数据采样与特征量识别的过程中，由于音乐信号的随机性，采用了数量级估算的方法和自适应采集算法．本文只给出控制一个舞台灯的设计方案，如果要控制多个舞台灯可以采用同样的方法，增加多个控制子系统和一个总控系统，采用多机通讯方式，控制整个舞台的灯光效果，可以广泛应用于各种不同规模的舞台设计．

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