易金橋，孫先波，譚建軍，艾 青

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施445000)

舞臺表演是將聽覺藝術與視覺藝術有機結合的一種藝術表現形式．造型新穎、色彩豐富、節(jié)奏和諧的舞臺燈光可以渲染氣氛，增強舞臺表演的藝術效果．目前，國內外常用的舞臺燈主要有如下三種控制方法［1－2］．第一種是在傳統(tǒng)舞臺燈的基礎上進行改進，增加機械控制設備，需要專業(yè)的燈光師進行手動操作．第二種是由微處理器根據預置程序來控制舞臺燈，燈具按照預定程序和軌跡運動，與現場氛圍的協(xié)調性較差．第三種是采用電腦和先進燈光控制設備，效果好，價格昂貴，在大型舞臺設計中應用廣泛．但是，現有的舞臺燈控制系統(tǒng)都存在燈光效果與音樂情景相關性較差的問題．雖然有些舞臺燈能夠根據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，如果舞臺燈的變化速度與音樂節(jié)奏的變化不協(xié)調，將很難達到人們所期望的舞臺藝術效果．

基于上述問題，本文設計了一種基于SPCE061A 的舞臺燈智能控制系統(tǒng)，通過對功放設備輸出的音頻信號進行濾波處理、電子分頻、特征量提取和數據采集，利用SPCE061A 對數據處理，實現舞臺燈光系統(tǒng)的智能控制，提供了一種低成本、低功耗、可靠性強的設計方案．

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進行綜合分析，根據分析結果控制電機驅動電路，達到控制舞臺燈效果的目的．為了使舞臺燈能在工作時運行平穩(wěn)、定位精確，采用電子分頻技術、自適應數據采集算法、電機漸變調速控制、外圍電路保護等措施，確保舞臺燈的智能控制．為了能實現舞臺燈光與音樂節(jié)奏的完美結合，本文提取了音樂頻率和音量兩個重要的數據采集特征量，通過對外部功放設備輸出音頻信號進行電子分頻，分別對高、中、低三個頻段的信號進行模數轉換，把轉換的數據輸入到SPCE061A 進行綜合分析，識別出音樂的頻率段與音量，然后根據音樂的頻率調整采樣的時間間隔，采用自適應數據采樣算法判別音樂的音量與頻率，同時由SPCE061A 根據采集數據來匹配一種舞臺燈光效果來渲染當前的音樂旋律．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)的硬件設計

2．1 控制系統(tǒng)

SPCE061A［3－5］是 一 款 具 有2K 靜 態(tài)RAM、32K Flash、32 個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，為舞臺燈控制系統(tǒng)的功能擴展提供了豐富的內部資源．本文正是利用SPCE061A 豐富的中斷系統(tǒng)來實現對各種信號的采集和快速處理，來控制舞臺燈完成相應的動作．

2．2 語音信號采集與濾波

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

2．3 電子分頻電路

電子分頻電路［6－7］主要由一個四運放TL084 和一個低噪聲J 型輸入的三極管9014 組成，原理圖如圖2所示． 其中U1 構成電壓跟隨器，實現阻抗變換，U2 和U4 分別構成二階有源高通濾波電路和有源低通濾波電路，U3 和9014 構成有源帶通濾波電路． 按照電路所給出的元件參數，可以實現三個頻段的分頻，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 電機驅動電路

采用電機驅動專用芯片L298N 設計電機驅動電路．L298N 芯片是內部含兩個H 橋的高電壓、大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL 邏輯電平信號，能夠驅動二相或者四相步進電機，驅動電壓可達46 V、驅動電流可達2．5 A．采用一組脈沖控制主軸電機的轉速，同時用兩個I/O 口的電平信號控制步進電機的正反轉．該電路設計原理簡單，電路結構合理，抗干擾能力強．電機驅動電路如圖3 所示．

采用IN1、IN2 控制Y 軸電機的轉動方向，ENA 輸入的脈沖控制Y 軸電機的轉速;IN3、IN4 控制Z 軸電機的方向，ENB 輸入的脈沖控制Z 軸電機的轉速，如表1 所示．

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

2．5 保護電路與舞臺燈的亮度控制

由于舞臺燈光是采用交流電壓供電，因此必須設計可靠的保護電路． 本文采用了雙向可控硅實現對舞臺燈開關的控制，利用可控硅的導通角度調整燈光的亮度． 采用光電耦合器隔離電路，將強電系統(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，容易完成電平匹配和轉換．燈光亮度的控制電路如圖4 所示．

圖3 電機驅動電路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 燈頭機械結構設計

燈頭的機械結構示意圖如圖5 所示．底座上的Z 軸電機驅動燈架在水平方向360°轉動，安裝在燈架上的Y 軸電機驅動燈體在垂直方向270°轉動，其的運動范圍為3/4 個球面．

圖5 舞臺燈機械結構示意圖Fig．5 Stage light mechanical structure diagram

舞臺燈體內部結構示意圖如圖6 所示． 燈體內安裝有兩個功率較小的電機，用來實現顏色、圖案的控制．光源采用的是高亮度燈泡，圖案轉盤和顏色轉盤是在邊沿均勻分布有數個圓孔的轉盤，圖案轉盤的圓孔中裝的是帶鏤空圖案的薄片，顏色轉盤的圓孔內裝有不同顏色的玻璃，轉盤旋轉時圓孔對準光軸．光源發(fā)出的強烈白光通過圖案轉盤和顏色轉盤后，形成特定形狀和顏色的光柱，實現需要的藝術效果．

圖6 舞臺燈體內部結構示意圖Fig．6 Stage light inside structure diagram

3 系統(tǒng)軟件設計

3．1 系統(tǒng)主體流程圖

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

圖7 主函數流程圖Fig．7 Flow chart of the main function

3．2 音樂特征量的采集與識別

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)拍是強拍和弱拍的規(guī)律組合，強拍和弱拍又是由多個音階組成，每一個音階由頻率決定，故音樂的特征量可以歸結為音量與頻率，由于音樂的音量和頻率在不斷變化，因此采用自適應采集算法［9－11］進行數據采集，該算法根據音樂信號頻率的變化來自動調整采樣時間間隔．

音量高低的變化反映到采集信號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進行A/D轉換后就對應為一組二進制碼值，這樣就將音量對應編碼為一種計算機可以識別的數值．在實驗過程中根據舞臺燈光效果，設定n個門限閥值M1、M2、……、Mn，在設定的一段采樣時間T內可以比較出一個最大值Ak并保存，經過一段采樣間隔ΔT后，進行下一次時間同為T的采樣，可以在該時間內比較出一個最大值Ak+1，并將當前的最大值與前一次采樣得到的最大值進行差值比較，即ΔAk=Ak+1－Ak，將ΔAk與Mk進行比較，每對應一個閥值段，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，如果音樂信號的頻率較大，其對應的信號周期就較小，采樣間隔時間也要相應的調小，才能準確反映出音量的變化;如果信號的頻率較小，信號采樣間隔時間需要調大，在信號進行采樣前本文已經根據信號的特點把信號分成三個頻段，每個頻段內部變化比較平緩，故把三個頻率段的信號對應調節(jié)三種采樣間隔時間，高頻段調節(jié)的時間為ΔT1，中頻段調節(jié)的為ΔT2，低頻段調節(jié)的為ΔT3，其中ΔT的關系為ΔT1＜ΔT2＜ΔT3，具體算法流程圖如圖8 所示．

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

3．3 燈光效果的設計

燈光效果的設計思想主要是通過控制系統(tǒng)對燈頭動作與音樂特征量進行兩個層次的匹配，即音量匹配和頻率匹配． 音量匹配是指根據音樂的高低起伏為各個樂段找到合適的基本運動程序，即用于表現某一特定情感特征量的典型動作序列．頻率匹配則是為特定的特征量安排特定的旋轉動作．這兩個層次的匹配過程也就是舞臺燈頭運動子程序的設計過程，最終達到燈光效果與音樂旋律的完美結合．

3．4 步進電機的控制

步進電機的運動是根據目標坐標與當前坐標的差，程序確定電機下一步運動的方向，每運行一步，便記住電機實際坐標，完成一次控制循環(huán)．由于舞臺燈的運動是隨音樂節(jié)奏變化而變化，高速運行時，如果突然改變運動方向或速度，燈體會由于的慣性而劇烈抖動，因此主軸電機的啟停和加減速過程要求平滑、穩(wěn)定，本文采用步進電機的加減速控制和自適應調速算法實現．

電機驅動電路輸出給步進電機一系列脈沖，電機速度直接對應驅動器的輸出脈沖頻率，在編程時，通過改變控制脈沖的周期便可控制電機的加減速，即加速過程中的周期逐漸變小，為使算法簡便，可令步進電機從起動周期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算，將計算結果制表，運行時采用查表方式，加速時正向查表，減速時反向查表．

自適應調速算法是將電機當前位置(N)和目標位置(R)進行比較．當R＞N時，電機的下一轉動方向為正;當R＜N時，電機的下一轉動方向為反轉;當R=N時，電機維持當前狀態(tài)不變．確定轉動方向后，可將運行狀態(tài)定義為以下4 種:停止、加速、勻速、減速．各狀態(tài)間轉換的具體判別方法如下(以當前正轉為例)．

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

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

圖9 步進電機控制流程框圖Fig．9 Stepper motor control flow diagram

4 結語

通過采集功放設備輸出的音樂信號，識別音樂信號頻率和音量等特征值，采用SPEC061A 對數據進行實時處理，控制步進電機的運動狀態(tài)，實現舞臺燈光效果的智能化控制，該系統(tǒng)設計簡單，經濟實用．在數據采樣與特征量識別的過程中，由于音樂信號的隨機性，采用了數量級估算的方法和自適應采集算法．本文只給出控制一個舞臺燈的設計方案，如果要控制多個舞臺燈可以采用同樣的方法，增加多個控制子系統(tǒng)和一個總控系統(tǒng)，采用多機通訊方式，控制整個舞臺的燈光效果，可以廣泛應用于各種不同規(guī)模的舞臺設計．

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