基于单片机及FPGA的舞台吊杆控制器的设计（2） 控制系统, 软件设计, IP协议, 控制器, 单片机

yuyang911220

3 舞台吊杆控制器的软件设计
　　舞台吊杆控制器的软件主要包括：主程序、UDP数据的传输与解析程序、串口数据的发送程序、数据存储程序等。
　　3．1 通信协议设计
　　在舞台吊杆控制系统中，远程控制端通过局域网采用UDP/IP协议给舞台吊杆控制器发送命令并接收来自控制器的数据包。UDP/IP数据包的格式如下：

IP HEADER（20 Bytes）

UDP HEADER(8 Bytes)

UDP DATA(Variable Length)

　　在使用该协议时，命令信息和状态数据都在UDP DATA数据区。为了完成控制目的，必须对这块数据区的数据制定协议，协议格式如表1所示。
　　表1 协议格式

命令号	辅命令/错误号	上行方向位	下行方向位	功能号	位置数
1Byte	1Byte	2Byte	2Byte	8Byte	4Byte

　　3．2 主程序设计
　　主程序主要完成单片机和各个功能模块的初始化、对各个功能模块的调用以及对FPGA控制器的控制。
　　4 可靠性设计
　　4．1 电机惯性引起误差的补偿方法
　　在电机拖动系统中，要考虑电机的惯性问题以便及时进行误差补偿。目前系统中，大都利用一次或二次函数来近似电机的惯性量。而本系统则采用在远程控制端人工输入补偿系数Q的方法来实现误差补偿。这里的补偿系数Q的测量可在排演时进行。
　　系统工作时，远程控制端需设定路标要运行到的位置，即计数终值和误差补偿系数。当接收到补偿系数测量命令时，控制系统将开始测量补偿系数Q。这里假设输入终止位置值为S1，实际终止位置值为S2，那么Q=(S2-S1)/S1×100%（由于惯性的缘大处着眼，S2>S1）。接着控制系统把这个误差补偿系数Q送回给远程控制器，并且存入存储器中。在吊杆实际运动时，控制系统都会对输入值进行误差补偿，即：实际运行终止值S=输入值S1-输入值S1×Q。用此方法得到的电机惯性量非常精确。
　　4．2 系统的抗干扰设计
　　为了保证舞台吊杆控制器能够长期可靠地运行，系统在硬件和软件两方面采取了有效的抗干扰措施。其中硬件方面主要采取了3.3V电源和5V电源隔离（它们与电磁隔离）、“看门狗”等方法。通过电源隔能够有效地防止电源电平不稳和其它电器对控制器的干扰，保证了系统的稳定性；通过“看门狗”能保证程序的正常运行，保证了系统的可靠性。软件方面采取了软件陷阱等方法。
　　行前研制的大规模舞台控制系统使用8044单片机完成数据处理及计数功能，通过BitBusU总线完成通信功能。由于单片机的任务非常繁重，在实际应用中经常出现脉冲丢失以及系统相应速度慢的问题。而本设计采用了EDA技术，将舞台吊杆控制器用CYGNAL单片机和FPGA实现，并且UDP/IP协议实现局域网内的通信，解决了上述问题。舞台控制系统现场应用表明，该吊杆控制器性能完全达到了要求。