基于LabVIEW的音乐喷泉仿真控制系统 第一章 绪论
第一章 绪论
1.1研究背景和意义
目前在我国有几百家喷泉生产厂家，但是他们多为个体、私营或乡镇小企业，基础、实力、技术力量、管理水平都很薄弱。产品多是简单的仿制，重复生产，创新并不多，实际进行科研设计的也有限。所以根据我国的实际情况，设计生产技术水平先进、符合国际流行趋势的音乐喷泉是非常重要的，而且更有必要进行音乐喷泉的研究和开发，特别是控制部分，以达到提高系统性能、提高音乐喷泉艺术效果的目的。除此之外，有关音乐喷泉可供查找的文献资料也比较少，这样给利用传统的机械设计方法直接进行音乐喷泉的设计及视音误差的校正带来了困难。更有为了一时达到所谓的艺术效果浪费能源，甚至是舍弃安全而劳民伤财
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。因此十分有必要建立一个仿真设计软件系统来辅助音乐喷泉控制系统的设尽管用于仿真的设计在生活生产中的应用十分广泛，而且在喷泉控制系统中
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也已经有不少比较成功的实例。但是由于人文、地理等条件的制约，音乐喷泉基本都属于中小型。例如，基于单片机的音乐喷泉通过简单的单片机就可以实现32路以下的通道通信达到对32个变频调速器的调速，来实现水压的控制使之与音乐解码产生或者预先设定的顺序喷水、打激光等。然而这些在基于单片机、PLC的仿真也存在着成本高和动态性较差等缺陷。这样使得仿真在设计上就有很大的成本，与当今仿真的特点背道而驰。因此鉴于虚拟仪器仿真的优点和喷泉设计、调试的成本和音控喷泉的发展趋势，本课题具有十分重要的意义。当今社会是和谐节约型社会，以最低的付出创造最高的价值是创新的体现是科研者的职责所在。
所以本课题要求基于LabVIEW作音乐喷泉的计算机仿真设计是十分符合当今生产力的发展的。
通过LabVIEW编程，对音乐喷泉控制系统中的的音频文件编码解码、音频信号处理、控制信号的传输、视音同步模拟都将有直观的仿真。所以控制系统的仿真是极其有意义的，其可行性和迫切性是不容忽视的。
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1.2音乐喷泉的现状与趋势
音乐喷泉是近几年来出现的一种园林建筑与音乐欣赏相结合的产物。喷泉是人工环境中观赏价值最高、最富有生命力的理想景观之一。规模可大可小，射程可高可低，喷出的水，大者如珠，细者如雾，变化万千，引人入胜。喷泉景观概
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括来说可以分为两大类：一是因地制宜，根据现场地形结构，仿照天然水景制作而成，如：壁泉、涌泉、雾泉、管流、溪流、瀑布、水帘、跌水、水涛、漩涡等。二是完全依靠喷泉设备人工造景。这类水景近年来在建筑领域广泛应用，发展速度很快，种类繁多，有音乐喷泉、程控喷泉、摆动喷泉、跑动喷泉、光亮喷泉、游乐喷泉、超高喷泉、激光水幕电影等。
音乐喷泉是音乐和喷泉的有机自动控制的结合，音乐是喷泉的主题，喷泉是音乐内涵的表达，控制是实现方法。实现方法推荐，中国音乐喷泉设备产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。
随着计算机软件硬件技术的飞速发展，新型喷泉与计算机的交互应用越来越广泛，音控喷泉也越来越复杂，越来越精密，使得越来越多的控制部分需要计算机来完成。因此，计算机控制音控喷泉成为必然趋势。但喷泉工程还存在一些技术难题，主要表现为明显的水声滞后效应等视音不同步、控制滞后、成本昂贵等问题。
1.2.1基于单片机的音乐喷泉
基于单片机的音乐喷泉控制系统设计思想是首先设计用于表现音乐旋律的各种造型喷头，然后利用计算机的多媒体功能离线编制控制信号队列，然后通过串行口输出，经脉冲幅度调制以音频方式录制在磁带的D轨道。在磁带播放时，四声道磁头的A、B道信号用于音乐播放，D道记录的控制信号经解调进入89C51单片机的串行口，控制器根据命令实时控制水泵、灯光工作。
硬件系统由单片机电路、输入电路和输出电路组成。单片机电路选用ATMEL89C51单片机为硬件核心电路。AT89C51单片机引脚和指令系统与51系列单片机完全兼容，因而使用方便。其最大特点是内部有4KB FlashROM，而且价格低廉。用Flash ROM在开发过程中十分容易对程序进行修改，大大缩短系统开发周期。
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彩灯控制 组灯 泵喷嘴组1 单片机 水泵控制1 组泵1 泵喷嘴组2 水泵控制2 ……… ……… A/D转换 组泵2 伺服控制 电机 … 泵喷嘴组N 音乐信号 图1-1 基于单片机的音乐喷泉控制框图
扬声器 单片机电路如图1-1所示。除复位和晶振电路外，还有以光耦4N35为主的输入隔离电路、BCD拨码开关和用74HC373的输出寄存器组。输出寄存器最多可用8个，这对于小型音乐喷泉已是富足有余了。为了充分利用单片机已有资源，尽可能简化硬件电路，这里采用线选法扩展I/O口来扩展输出寄存器74HC373。如果准备用指令：MOVX @DPTR,A来向74HC373输出数据，DPTR中的地址和数据输出的目标如下:01XXH数据输出至0#74HC373；02XXH数据输出至1#74HC373；04XXH数据输出至2#74HC373；08XXH数据输出至3#74HC373；10XXH数据输出至4#74HC373；20XXH数据输出至5#74HC373；40XXH数据输出至6#74HC373；80XXH数据输出至7#74HC373。这样完成了存储的信号的读取、播放和控制输出。 1.2.2其他计算机控制音乐喷泉
基于PC、VB、数据库等音乐喷泉控制系统基本工作原理相类似[4][5][6]。主要是软件编程、I/O接口、控制算法、精确度、反应时间有差异。如图1-2，工业PC的板卡与单片机芯片、LabVIEW的计算机类似；接线端子与基于LabVIEW的DAQ类似。
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音响系统 音频信号 工业PC 声卡 变频器 控制信号 模拟量输出卡 RS232/RS485转换器 IO板卡 4端口RS485通讯卡 连线端子 控制信号 阀门 水泵 彩灯 变频器 RS485总线 水泵
图1-2 基于工业PC的音乐喷泉控制系统硬件框图
1.2.3音乐喷泉的发展趋势
在音乐喷泉中，一些公司采用了目前国际最先进的基于WINDOWSNT下的分布式计算机自动控制系统。虽然在各方面该系统都具备喷泉行业最先进的技术和服务。但是控制系统在信号处理、控制精度、安全可靠性和稳定性上还是有缺陷的。
音乐喷泉中音频信号处理方法最关键的技术，其次是信号传输技术。其发展趋势的主要特点表现在以下几个方面：
1）高水平的音乐信号处理系统
利用语言识别的国际领先技术，以音乐信号计算机处理系统为代表，将音乐信号进行频谱分析和延时处理，提取音乐信号中适合喷泉控制的有效成分送给主控机，并能将音乐信号任意延时，使喷泉和音乐同步。
2）集散控制系统的信号传输
喷泉由主控机直接控制，理想的主控机具有如下特征：音乐信号采集功能，按频率特征抽取有效成分；对喷泉设备进行故障诊断，可以对主机运行状态、漏电及驱动柜工作状态进行诊断；菜单式操作系统，使操作者能够在短时间内学会操作，具有音乐喷泉的各种动态造型和花样变化显示功能，使操作人员通过计算机屏幕就能观察到喷泉的各种变化，最大地人文化，方便音乐喷泉的配曲和操作员使用；开放式结构，人机界面友好，通讯接口及编程技巧对用户开放，只需通
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过鼠标的两个键即可完成音乐喷泉的配曲，这样就容易使音乐喷泉配曲库不断丰富，总给人耳目一新的感觉；对音乐喷泉的直接控制，直接驱动泵、变频器或伺服器；摇摆电机的摇摆速度及方向控制，最大控制量1024或更多。控制器自诊断系统，能够与任何音源相接（CD机、录音机、现场演出等），在保证音乐信号不失真的情况下，使音乐与喷泉完全同步。
3）安全及可靠性
虽然当今音控喷泉控制系统的控制设备均安装过电压、过电流、漏电保护装置，一旦发生故障，能够自动切断电源，可靠的保护该路喷泉设备不受损失，保证人身安全。并且已经有从工业控制工程实践中总结出一套独特的接地保护方式，进一步提高安全性。而且驱动器部分大规模地采用无触点继电器，减少了电磁火花干扰，减少了主回路的故障，延长了使用寿命。但是由于喷泉的特殊性，在运行时极有可能存在观赏者与控制设备近距离接触的情况出现。系统出现故障的反应时间十分关键而且也不尽如人意。在日常生活中，也存在不少罪魁祸首是广场喷泉的民事诉讼。此外，作为音乐喷泉，不可能在一天内长时间表演，这里因为：第一耗电量大，第二长时间开启会使之缺乏新鲜感，尤其在白天无灯光时，效果欠佳。喷泉作为整个广场的一景，除音乐表演外还需考虑作为固定景点时水型的艺术效果。固定水型的使用时间是最长的。
因此，喷泉水型设计与选择上除考虑表演音乐时的美感，同时也考虑作为水景时的效果，所以控制上的设置有不同的功能。手动控制：在白天或夜间音乐表演间歇时，点击鼠标独立打开某些水型，形成一组合造型固定不变。节约用电，平时最常用。程序控制：如果您希望有不同的组合造型变化，则可打开程度功能，使水型按设定的程序变化，出现不同的造型，使人感受不同景色的美妙。实时声控：为目前国内绝大多数公司普遍采用的一种控制方式，它的特点是可响应任何音源信号，现场演奏卡拉OK等，但此种控制方式有一些缺点。首先，水型动作要比音乐滞后，使人感觉喷泉动作与音乐不协调。其次，水型的出现组合与出现时间长短，为固定重复的而且不论任何曲目，所以会出现表演水型与音乐所表达的情感不一致。如激昂的乐符，可能出现摆动水型，而轻柔旋律时，又出现高大的水体，使人听觉感受与视觉感受不一致。第三，乐曲的情感段落与水型变化时间不符，而且千篇一律。预编控制方式：是根据某一首乐曲的情感与意境，人工编制各种水型、动作、灯光、水泵的开启和关闭，使喷泉的表演与音乐的情感和意境相吻合。此功能在控制技术、计算机技术、通讯技术方面有一定的综合难度。对于小型喷泉，通过PLC、单片机等可编程控制器即可实现；大型喷泉则必须通过计算机控制系统来控制。因此音乐喷泉急需解决的问题是自动控制上的视音同步问题，怎么样在低成本、高精度、绝对安全的情况下实现喷泉和音乐的同步运
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