专利名称:焰火燃放控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种焰火燃放控制系统，可根据音频的节奏及意境来编排焰火燃放的品种、数量及组合，然后在音乐的播放过程中通过燃放控制系统精确地依据音乐节奏将焰火效果展示出来，提供完美的焰火艺术表现。
背景技术：
随着焰火燃放技术的日益发展，传统的人工点火方式已经逐步过渡到电子点火方式，即通过将电子点火头与焰火燃放产品的引线进行连接，然后对电子点火头进行供电，即可将点火头引爆，点燃引线，从而实现焰火燃放产品的点火，这样也为自动控制点火提供了技术基础。
目前，市面上存在的焰火燃放控制设备主要有两种，一种是纯手工控制的电子点火设备，相当于一个开关阵列，即人工控制一组开关，就实现一次点火。另外一种就是程控电子点火设备，通常通过pc机来控制点火，即将实现编排好的燃放序列表存储到pc机，燃放过程中，pc软件读取燃放序列表，并发送控制指令到点火控制主机，控制点火控制主机点火。其中，手工控制点火设备结构简单，所控制的点火点数量有限，操作不够方便和准确，不能完成复杂的燃火燃放，如特效焰火等，更不可能去放一场音乐焰火。而后面所讲的程控点火设备，可以实现特效烟火的燃放了，但是缺点是pc机容易受病毒感染，且通用操作系统不是很稳定，很容易导致系统崩溃，另外，由于该设备也没有与音乐直接关联，因此，该燃放不可能做到与音乐的同步，从而使得燃放体现不出音乐焰火的艺术表现力。
现有音乐焰火燃放的技术，通常的过程是使用一些通用的音乐编辑软件如CoolEdit等来采集音频波形，根据对应音频的播放时间来设定对应的点火地址和烟花的数量，组合；然后把这些采集的结果时间-地址码通过excel等工具生成编排表存储到pc主机，然后在音乐播放的同时手工启动设备进行焰火燃放，即烟火的燃放开始是通过人与人之间的信息传递来完成，由于人听觉上的延时特性，必然做不到真正的同步，所以这种同步技术产生的音乐焰火燃放效果相对比较差。
从上述技术系统的描述中能够了解到目前燃放控制设备的几个问题(1)这些设备缺乏一个专业、有效的编排系统以及精确的燃放控制系统，缺乏对焰火燃放过程中最重要的因素时间的有效管理和控制，达不到音乐焰火燃放所需的时间精度要求，只适用于那些对时间精度要求不高的场合，如传统焰火燃放项目。
(2)同时由于编排过于简单，对于焰火燃放中时间因素影响很大的诸多元素不能有效地反映在焰火燃放的编排过程里面，如点火引线、礼花弹的上升时间、效果时间等等，使得系统并不能够有效地实施精确点火燃放，也就不能保证真正意义上的音乐与焰火燃放的同步。
(3)由于缺乏有效的管理、编排及必要的检测手段，这些系统实际上不能有效、可靠的实施音乐焰火的燃放；点火器容易产生错码、重复码、空码等错误。
(4)通过人的视觉和听觉的配合来进行音乐与烟火燃放的同步，所谓的同步也就是音乐和燃火燃放同时开始，后面不会再单独进行两者同步。因此，音乐和焰火燃放的节奏配合比较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决上述现有技术存在的问题，而提供一种能够实现音乐播放与烟火燃放完全同步，真正保证音乐播放节奏和焰火燃放效果完全吻合的焰火燃放控制方法及系统，该控制系统采用树状连接，最大限度的将线路故障局限在某一个小区，不会影响其他部件的继续工作，大大提高系统的工作可靠性；先进的齐射技术，真正实现多路点火点同时点火，大大提高了观赏的美感。
本发明采用的技术方案是整个系统分为两部分，即图形化编排系统和燃放控制系统，编排系统进行所需燃放的烟花品种，数量，燃放时间的定义，以及对应的点火控制点编号分配，而燃放控制子系统则负责依据编排表实施控制点的点火；图形化编排系统以音频波形和播放时间为主轴，编辑从焰火库中取出要燃放的烟花对象拖放到指定的音频波形时间节点，系统自动生成烟花实际燃放的点火时间；具体方法是在系统中打开需要播放的音频文件，系统对该音频文件进行波形分析，画出该音频文件所对应的波形-时间对照图，得到焰火燃放编排的所需依据波形-时间参照主轴；在系统中播放该音频文件，根据音频的节奏及意境采集点火时间点，以图形符号标识；点火时间点采集完成之后，从烟花数据库中把一个标识本次要燃放的烟花对象的图形符号拖放到指定的点火时间点，同时可以设定该烟花的引线、上升时间、效果时间属性，系统自动根据这些属性生成烟花实际燃放的点火时间；所有的点火时间点都设定完成之后，保存编排数据；最后把这些编排数据下载到焰火燃放控制器中，焰火燃放控制器将生成与该编排对应的点火时间-地址码对照表，然后根据该表内容实施焰火燃放精确控制。
燃放控制系统由四个部分组成即音频分析处理机，燃放控制主机，集线器以及点火控制机；燃放控制主机由6.4寸TFT液晶屏、扫描键盘、工业控制主板并含1个以太网接口和2个RS-232接口、有线模块、无线模块组成，燃放控制主机是整个系统的核心部分，是燃放控制软件的载体，其通过通讯模块以太网/802.11无线网接收来自音频处理机发送过来的音频同步信号及同步系统燃放控制时间，并通过另一组通讯模块can总线模块/通用射频模块向集线器发送点火控制指令；或通过燃放控制主机的人机接口接收人工点火命令，向集线器发送点火指令；集线器由集线器板卡、2个有线模块CAN总线模块或远程通讯模块和1个无线模块通用射频模块组成，用于连接燃放控制主机和点火控制机，作为网络中继和分隔，负责燃放控制主机和点火控制机之间的数据传递；点火控制机提供有线通讯接口，接受并响应集线器转发过来的控制命令；点火控制机的点火头接口，直接连接电子点火头的导线，点火控制机接收到点火指令后，向对应通道送点火电流，进行点火；音频处理机由6.4寸TFT液晶屏、扫描键盘、工业控制主板、有线通讯模块或无线通讯模块组成，音频处理机提供音频播放和音频信号提取，通过人机接口进行两种模式的选择，同时提供无线信号强度监测；音频播放模式，音频处理机向音频输出接口送立体声信号，在同步时间点向燃放控制主机发送时间同步信息；音频提取模式，则通过音频输入接口提取音频信号并将提取到的同步信息通过通讯模块发送给燃放控制主机，实现音频播放和燃放控制在时间上的完全同步。
音频分析处理机的工业控制主板采用深圳亿威尔计算机有限公司的EW-AM3902-B0工控板，采用ARM9312芯片，64M SDRAM，64M FLASH和20G笔记本用硬盘，带AC97声卡，提供TFT液晶屏接口，提供100M以太网接口。TFT LCD屏为台湾源太6.4寸屏，无线模块采用南京智达康无线通信科技有限公司的XI-1500-IH 802.11无线网桥。
燃放控制主机的的工业控制主板采用深圳亿威尔计算机有限公司的EW-AM3902-A3工控板，采用ARM9312芯片，32M SDRAM，16M FLASH，提供TFT液晶屏接口，提供2个标准的RS232接口以及一个100M以太网接口；TFT LCD屏为台湾源太6.4寸屏。
无线模块采用南京智达康无线通信科技有限公司的XI-1500-IH 802.11无线网桥，该设备提供一个100Mbps的以太网接口。
通用射频无线模块采用上海桑锐电子科技有限公司的SRWF-508型无线模块，该模块提供一个RS232接口，无线传输距离为4000米。
前述的图形化编排系统，采用了以下关键技术1)音频文件(Wav)波形分析音乐焰火的燃放需要合乎音频的节奏及表现音乐的意境，因此音频文件的波形分析对于音乐焰火的燃放来说就显得尤为重要。声音文件通常保存为.Wav文件，Wav文件格式是很规范的。系统根据对Wav文件波形的分析，画出声音文件的波形及时间的对照图，得到焰火燃放编排的波形-时间参照主轴。
2)可视的图形化编排系统把实际需要燃放的烟花对象及要播放的声音文件完全符号和图形化，编排系统的核心是采用最新的计算机技术融合而成的可视化编排软件，该软件以音乐播放节奏和时间节点为轴，编辑时只需从烟花焰火数据库中把一个标识要燃放的烟花对象的图形符号拖放到指定的音频波形时间节点，系统将自动根据指定的音频波形所在时间点生成烟花实际燃放的点火时间；同时由于烟花产品本身的特点，有些品种的烟花具有引线或上升时间、效果时间，这些属性都能不同的颜色来标识，可以很直观的反映出实际燃放过程中各个时间点所要燃放的烟花及效果。
3)编排图象的放缩技术通常对于焰火燃放的控制来说，时间精度是一个决定性的因素，时间精度越高，音乐同步的精确度也就越高。一般情况下为了编排的方便，波形对应的时间精度大多控制在100ms级，但在音乐焰火燃放的某些要求特效或高精确度的地方，100ms的时间精度还不够。编排系统可以根据实际燃放所要求的时间精度对编排图像进行平滑地放缩(包括波形、时间轴、烟花符号图像等元素)，提高编排所需的时间精度。最高时间精度可以达到10ms(国际上同类产品的精度为33ms)。
编排完成后，系统将自动生成一组燃放编排表，该编排表将作为控制子系统的输入数据，控制子系统将依据这个编排内容进行实际的燃放控制。本子系统软件运行的硬件平台要求是至少采用intel奔腾42.0以上CPU，512M内存，32M显存的pc机或便携式电脑。
本系统的基本原理是建立在音频处理技术基础上的，一是通过擦除所要采用的音频文件(.wav)的左声道或右声道的音乐信号，将音乐播放的时间信息(相对音乐起始播放的偏移时间)调制(可采用fsk调制技术，qsk调制技术等)在人耳可听见的声音频率上，再将该调制后的声音波形写入到擦除了声音信号的声道上，再将该音频文件制作成CD碟片或直接将该音频文件拷贝到相应的存储播放器的存储器里，这部分工作的硬件平台需要一台普通pc机以及一台cd刻录机。在燃放时，将该CD或播放器直接提供给现场音响师，并从对方的CD播放机或播放器里通过音频线将含有音乐同步信号的声道接到音频处理机上。当播放音乐时，音频处理机通过分析传过来的音频信号的波形，按照对应的解调技术进行解调，取得音乐播放的时间信息。二是依据音频文件的大小是根据采样的速率，声道数以及采样位数所决定，播放速度同样也是依据这个原理，否则声音由于失速导致变音，因此，按照这个原理，该设备在播放音乐时我们根据播放的文件长度得到音乐播放的时间信息。这样，我们从两种提取音频时间的技术中的任何一种就可得到音乐播放时间信息，将该时间与燃放控制时间同步或直接将该时间节拍作为燃放控制的时间节拍，就可实现焰火燃放的时间与音乐播放的时间完全一致，从而实现真正的同步。
技术特点1)齐射技术由于通讯传输的延时特性，点到多点的单点通讯在时间上有一个先后顺序，逐个点火指令的发送将会使多个设备逐个点火，相邻两次点火之间的时间间隔完全由线路的通讯速率决定，对于19200bps的通讯速率，假如点火指令为3个字节，则每两个设备之间的点火响应时间差别为3*8/19200s，大约为1.25ms，这个还不算上处理延时，这样如果同时点火100个节点，则第一个节点的点火时间和最后一个节点的点火时间相差近125ms。那么从观众的角度讲，在视觉上就可发现这不是一次真正的齐射。为了解决这个问题，我们利用广播指令可以同时触发各个点火控制器响应的原理，采用两次指令发送技术进行点火，首先通过逐个发送预置指令，通知参与点火的点火控制机准备好对应的通道号，然后通过广播齐射指令，所有应该参与的点火控制机将立即响应，从而实现了真正的齐射技术。
2)同一个点火控制器多通道齐射技术传统技术都是通过译码器来驱动继电器的吸合来进行点火，因此单机同时只能点火一个通道，我们现在采用MOS开关管加锁存器，通过单片机管脚直接写锁存期同时驱动开关，从而实现单个点火器多路同时点火。
3)点火技术由于点火是通过电源的瞬时放电产生大电流才能发生，这样如果通过电池直接放电，电压将下降很快，不能保证有效点火，如果通过总线供电点火，将对线路负载能力提出很高要求，尤其是当齐射时，因此，我们利用电容能够储电原理，辅助系统点火，电容不点火时则通过总线电源充电，点火时放电，即保证瞬时的大放电电流，也可防止总线电流过大或总线电压被拉低而使得单片机系统复位。
4)音乐完全同步控制技术控制主机接收到同步信号，启动燃放，保持音乐与燃放的节奏完全一致。如果没有收到同步信号，则开始计时，如果连续几次都没有收到同步信号，则暂停燃放，除非手动启动。
5)分布式多燃放主机统一控制可支持最多32个燃放控制主机的统一控制，每个燃放主机又可支持多个集线器连接，每个集线器可以连接多个点火控制器，整个系统最多可以控制32*255*16个点火点，可以完成特大型焰火的燃放。
音乐在听觉上极负感染力的特点结合焰火在视觉上的强大冲击力，将给人锻造出一种火与音乐，光与节奏的完美效果，它将千姿百态、变幻莫测、不可思议的焰火造型和激昂动听、美妙无比的音乐交融在一起，创造出光和色的火树银花不夜天，是艺术与科技的完美融合，是一种全新的视听享受。如果不能精确保证两者的节奏吻合，效果将大打折扣，该套系统就是为保证两者的完美结合而设计出来的。另外该系统也可以脱离音乐依据燃放编排表自动精确的进行焰火燃放，保证ms级的燃放时间准确度，大大提高了焰火燃放的艺术表现力。由于实现了智能化点火，燃放现场不需要人员参与，这样可以更好的保证焰火燃放时人员的安全性。
图1为本发明系统结构框图图2为音频处理机电原理框图图3为燃放控制机电原理框图图4、5为集线器板卡和CAN模块实施电路图图6、7为点火器实施电路图具体实施方式
本发明整个系统分为两部分，即图形化编排系统和燃放控制系统，编排系统进行所需燃放的烟花品种，数量，燃放时间的定义，以及对应的点火控制点编号分配等，而燃放控制子系统则负责依据编排表实施控制点的点火(保证实际燃放时间与编排时间严格吻合，精确到ms级)，将编排好的效果真实的展现出来，该两个子系统相互关联，相互依赖，以下我们对两个子系统单独进行阐述图形化编排系统本系统提供一种可视的图形化音乐焰火燃放编排系统，极大地提高了焰火燃放编排的可操作性及点火时间的精确性。从而保证焰火燃放控制设备控制的焰火燃放能够达到正真意义上的与音乐同步。该编排系统的原理是以音频波形和播放时间为主轴，编辑时只需从焰火库中取出要燃放的烟花对象拖放放到指定的音频波形时间节点，系统将自动根据指定的音频波形所在时间点生成烟花实际燃放的点火时间；从而确保焰火燃放跟音乐节奏在时间上严格吻合(精确度可达到ms级)，完全能够达到音乐焰火燃放的要求。
具体方法流程如下在系统中打开需要播放的音频文件(Wav)文件，系统对该音频文件进行波形分析，画出该音频文件所对应的波形-时间对照图，得到焰火燃放编排的所需依据波形-时间参照主轴；在系统中播放该音频文件，根据音频的节奏及意境采集点火时间点(以图形符号标识)；点火时间点采集完成之后，从烟花数据库中把一个标识本次要燃放的烟花对象的图形符号拖放到指定的点火时间点，同时可以设定该烟花的引线、上升时间、效果时间等属性，系统自动根据这些属性生成烟花实际燃放的点火时间；所有的点火时间点都设定完成之后，保存编排数据；最后把这些编排数据下载到焰火燃放控制器中，焰火燃放控制器将生成与该编排对应的点火时间-地址码对照表，然后根据该表内容实施焰火燃放精确控制。
燃放控制系统本系统由四个部分组成即音频分析处理机部分，燃放控制主机部分，集线器部分以及点火控制机部分。燃放控制主机提供6.4寸TFT液晶屏，键盘接口，以太网接口以及can总线接口，燃放控制主机是整个系统地核心部分，是燃放控制软件的载体，其通802.11b无线网桥模块或以太网接收来自音频处理机的信号，通过can总线接口连接集线器(采用12芯屏蔽电缆，其中5对线用于远距离传输电源，1对用作信号线)或通过RS-232接口连接到射频无线模块，通过以太网接收来自音频处理机发送过来的音频同步信号，同步系统燃放时间，并通过can总线接口或RS-232接口向集线器发送点火控制指令；也可以通过燃放控制主机的人机接口接收人工点火命令，向集线器发送点火指令。集线器提供3个12芯can总线接口和6个4芯卡龙接口，1个RS-232接口，通过12芯can总线接口连接到燃放控制主机和其他集线器(采用12芯屏蔽电缆，其中5对线用于远距离传输电源，1对用作信号线)，通过RS-232接口连接到射频无线模块，通过4芯can总线接口连接点火控制器(采用4芯屏蔽电缆)，其用于连接can主干总线和can分支总线或无线网络和can分支网络，起总线中继和分隔作用，可将通讯故障局限在局部，不会影响其它部分的正常工作。点火控制器提供2个4芯卡龙can总线接口和2组地址拨码开关，16个点火头接口，其通过4芯卡龙can总线接口连接到集线器，也可以通过4芯卡龙接口与其他点火控制器直接连接，地址拨码开关便于点火控制器统一编址，通过点火控制器的点火头接口，直接连接电子点火头的导线，点火控制器接收到点火指令后，将向对应通道送点火电流，进行点火。音频处理机提供6.4寸TFT液晶屏，键盘接口，以太网接口和音频接口(立体声接口，3芯卡龙接口，莲花头接口)，通过音频输出接口与音频功放连接，或通过音频输入接口与音频播放器连接，通过以太网接口连接802.11b无线网桥，音频处理机提供音频播放和音频信号提取功能，通过人机接口进行两种模式的选择，同时提供无线信号强度监测的功能；如果是音频播放模式，则音频处理机向音频输出接口送立体声信号，在同步时间点向燃放控制主机发送时间同步信息；如果是音频提取模式，则通过音频输入接口提取音频信号并将提取到的同步信息发送给燃放控制主机。
具体电路分析1)音频处理机电路说明如图2，工业控制主板通过板上TFT接口连接到LCD显示屏，板上GPIO口连接扫描键盘(8*8键盘)，通过板上IDE接口连接硬盘，声卡接口作为音频的输入输出接口，以太网接口用于连接802.11无线模块或者直接连接到燃放控制主机。
工业控制板从硬盘存储器打开需要播放的音频文件，启动播放的同时，通过以太网控制器发送燃放开始指令，以后每送完一段时间的音频数据，通过以太网控制器向燃放控制机发送一个音频同步信号，音频数据送声卡输出到音乐台播放。或者通过声卡的AD采集功能(或解调电路或专用AD采集芯片)采集外部播放器传过来的含有时间信息的音频信号，通过软件(或硬件)解调获取音乐播放时间信息，音频处理机接着通过以太网控制器向燃放控制主机发送该时间信息。
2)燃放控制主机电路说明如图3，工业控制主板通过板上TFT接口连接到LCD显示屏，板上GPIO口连接扫描键盘(8*8键盘)，以太网接口用于连接802.11无线模块或者直接连接到音频处理机，RS232接口1用于连接CAN总线模块，RS-232接口2用于连接通用射频无线模块。
提供焰火的燃放控制，点火器测试等人机接口，可直接操作该设备进行现场的焰火燃放。同时该设备通过有线(以太网)或无线(802.11无线)与音频处理机通讯，获取同步控制信号，控制焰火燃放。燃放控制主机与下属点火控制机或集线器可通过有线(can总线)或无线(通用射频无线)进行通讯，传递控制燃放指令控制点火。
该燃放控制主机从以太网接口接收音乐同步信号，启动和同步焰火的燃放节奏，将燃放控制指令通过can总线或无线模块发射出去，驱动点火器点火，也可以通过人工手动操作该燃放主机，控制点火控制机点火。
3)集线器/串口转can模块电路图说明设计目的在音乐焰火自动控制系统中，由于点火终端很多而且相对比较分散，所以我们就用具有高可靠性的CAN通信系统来完成主机与各个点火终端的信号传输工作，由于CAN芯片的带负载能力有限而且传输距离达不到我们的设计要求，因此为了分散CAN芯片的带负载能力和实现更远距离的传输目的，我们就设计了CAN转CAN的CAN中继器。串口转CAN被保留用于主网用无线模式传输的方案。
实现功能 实现CAN信号的中继，即把从主网(或子网)接收到的CAN信号通过特定的芯片接收存储之后再转发到另一层子网(或主网)。
实现CAN信号到串口信号(或者串口信号到CAN信号)的转变。
本电路原理本电路的主控CPU为一块S52系列的单片机，同它相连的是两块CAN通信芯片SJA1000和一块串口电平转换器MAX232，SJA1000和MAX232在单片机的控制之下协调工作。如果该电路被用作CAN中继器，两块SJA1000芯片则要分别接在两个不同的CAN网络之中以实现CAN的跨网通信，在音乐焰火控制系统中它们一片接在主干网络(主控制器)，而另一片则接在子网(点火终端)之中；如果本电路被用作CAN-串口转换器，则它们的MAX232和SJA1000就要分别接在一个串口网络和一个CAN网络之中，以实现传输信号的转变，在音乐焰火控制系统的无线方案中，主干CAN网将被无线网络取代，而无线网络内部传输的则是串口信号，无线接收模块会将接收到的串口信号通过MAX232传给单片机，单片机再将接收到的信号通过SJA1000传到子网的点火终端中去。
本电路的具体实现 电源部分由于本系统采用的是远程供电，线路损耗较大，我们就选用了效率较高的DC-DC转换芯片LM2575-5(图4中的U1)，将+35V的输入转换为+5V输出对系统供电。
单片机与外围器件本系统的单片机采用的是S52系列的芯片(图4中的U15)，除了单片机最小系统所需的芯片以外，复位电路部分还加了一块看门狗芯片MAX813L(图4中的U9)以防止程序跑死而不能自动复位。单片机的晶振的频率为24MHz。
单片机与串口单片机(U1)的RXD和TXD接MAX232(图4中的U10)的一端，MAX232的另一端则直接接收外部送来的串口信号。这样外部串口网络的信号就可间接地送入单片机。
单片机与CAN芯片单片机对外部RAM的访问是通过P0口与P2口再配合以相应的读写信号来实现的，并且51系列的单片机有特定的汇编指令支持对外部RAM的访问，而SJA1000(图5中的U6与U7)与51系列的单片机是兼容的。所以我们可以把SJA1000看作是一个只有128个字节的外部RAM，单片机通过对这128个字节的RAM数据进行操作就能实现对SJA芯片的控制和CAN数据的读取，具体地连线方法是把SJA1000的AD0-AD7分别连至单片机的P0口对应位；SJA1000的RD、WR与ALE口分别连接至S52的RD、WR与ALE口；因为有两个SJA1000芯片并联在一起，所以我们在一个时间只能对一个芯片进行操作，因此我们又用了S52的P2.0与P2.1来片选两片SJA1000的其中之一；两片SJA1000的复位信号被并联在一起，并且和单片机同时复位(复位电平不一样因此通过反相器连接)；当SJA1000的接受存储器满了之后它就要通知单片机来取数据，通知的方法就是向单片机传送中断信号，因此两片SJA1000的中断信号线分别连接至单片机的两个中断口。SJA1000芯片的晶振为24MHz。
SJA1000的输出信号不能直接接在CAN总线上，它要通过一块CAN总线驱动芯片才能连接到CAN总线。在这里我们选用的CAN总线驱动芯片为P82C250(图5中的U4与U5)。为了使SJA1000与CAN总线驱动芯片互不干扰，良好通信。我们就在SJA1000与P82C250之间串入了高速光藕6N137(图5中的U11-U14)，实现了很好的电器隔离。P82C250的输出信号就可以直接连在CAN总线上了。
电路图具体连线与说明图4中U15(AT89S52)为嵌入式单片机，负责整个电路的计算与分析。
U9(MAX813)是系统监控和复位芯片，它的第7脚和U15的第9脚相接(复位信号)，上电时为U15提供复位信号。其第6脚与U15的第28脚连接，提供看门狗功能，由U9定时复位，当系统出现死机或运行不正常时自动复位。
由晶振Y2和电容C28，C29组成的外部时钟电路接U15的18，19脚，为U15的MCU提供时钟。
集成电路U10(MAX232)为电平转换电路，U15的第10、11脚接U4的9、10脚，经U10将TTL电平转换为RS-232电平。由U10的第7，8脚输出构成RS-232的串行接口。
U6和U7(SJA1000)为两片独立的CAN通讯控制器，U15的21脚和22脚作为两者的片选信号。U6和U7的1，2脚和23-28脚(AD0-AD7)作为地址数据复用总线与U15的32-39脚相连接。U15的5，6脚读写信号与U6和U7的16、17脚读写信号连接，U6和U7的第3脚和U15的第30脚相连接。U6的16脚中断请求与U15的中断0即12脚连接，U7的16脚中断请求与U15的13脚中断1相连接。U15的第9脚通过反相器与U6和U7的17脚复位脚相连接。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，U6的第13脚CTX0和第19脚CRX0分别接光偶U11(6N137)的第3脚和光偶U12(6N137)的第6脚，通过高速光偶6N167后与82C250相连，U7的第13脚CTX02和第19脚CRX02分别接光偶U13(6N137)的第3脚和光偶U14(6N137)的第6脚，通过高速光偶6N167后与82C250相连，很好的实现了总线上各CAN节点间的电器隔离。
U11，U12，U13，U14(6N137)为光电偶合器，U11的第6脚接U4的第1脚，U12的第3脚接U4的第4脚；U13的第6脚接U5的第1脚，U14的第3脚接U5的第4脚。
U4(82C250)和U5(82C250)为CAN总线收发器，第7脚和第6脚各通过一个10欧姆电阻与CAN总线连接，电阻起到一定的限流作用，保护U4或U5免受过流冲击；CANH和CANL与地之间并联了两个30P的小电容，可以滤除总线上的高频干扰和一定防电磁辐射能力，在两根CAN总线接入端和地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管导通可起到一定的过压保护作用，U4或U5的第8脚RS脚上接一个斜率电阻，电阻大小可根据总线速率适当调整，一般在16K-140K之间。
U1(LM2575-5)为稳压电源芯片，将总线上传过来的+35V直流电源转换为+5V直流电源，作为系统工作电源。
U2(B0505S)和U3(B0505S)是两个独立的直流电源隔离器件，使两个CAN通信芯片电源与本电路其它数字器件部分互不干扰，其中U2和U3的第1脚接输入地，U2和U3的第2脚接+5V输入，U2和U3的第4脚，3脚分别为输出的电源与地。
外部接口本系统共有12个接口，一个接口为串口接口(图4中的J12)，以实现和外部串口线的连接；三个CAN总线接口(图5中的J1-J3)并联在一起，同属于一个CAN网络。另外八个CAN总线接口(图5中的J4-J11)并联在一起，同属于另外一个CAN网络。
4)终端点火控制系统电路图说明设计目的接收和响应主机命令，对点火头进行连通性测试或控制点火。
本电路实现的功能 实现CAN信号的接收。
解析接收到的命令并且对三极管作出适当的控制(点火)。
本电路的原理本电路的主控CPU为S52系列的一块单片机，同它相连的是一块CAN通信芯片SJA1000和两个锁存器，另外还有一些IO口同三极管相连来控制三极管或者MOS管的通断，附带的串口功能被保留使用。SJA1000被用来接收CAN总线上的数据命令，命令接收之后就被单片机解析，运算。然后在适当的时候单片机将作出相应的点火动作，点火过程是这样的，单片机先向两个八位的锁存器输入数据，这些数据(0或1)被用作控制各路三极管的通断信号，这些都是点火前的准备。当点火命令送过来之后，单片机便接通点火头的公共极(用三极管驱动MOS管实现，平常都是断开的，只是在点火的一瞬间接通)，这样就点火完成。当进入检测状态的时候，公共极的MOS管断开，而控制每一路的三极管依次接通，然后我们检测输出的电压，当输出的电压不为零的时候，则相应的通道为接线正常，否则异常。
本电路的具体实现 电源部分由于本系统采用的是远程供电，线路损耗较大，我们就选用了效率较高的DC-DC转换芯片LM2575-5(图7中的U15)。
单片机与外围器件本系统的单片机采用的是S52系列的芯片(图6中的U1)，除了单片机最小系统所需的芯片以外，复位电路部分还加了一块看门狗芯片MAX813L(图7中的U7)以防止程序跑死而不能自动复位。单片机的晶振的频率为24MHz。
单片机与CAN芯片单片机对外部RAM的访问是通过P0口与P2口再配合以相应的读写信号来实现的，并且51系列的单片机有特定的汇编指令支持对外部RAM的访问，而SJA1000(图7中的U14)与51系列的单片机是兼容的。所以我们可以把SJA1000看作是一个只有128个字节的外部RAM，单片机通过对这128个字节的RAM数据进行操作就能实现对SJA芯片的控制和CAN数据的读取，具体地连线方法是把SJA1000的AD0-AD7分别连至单片机的PO口对应位；SJA1000的RD、WR与ALE口分别连接至S52的RD、WR与ALE口；SJA1000芯片的晶振为24MHz。
SJA1000的输出信号不能直接接在CAN总线上，它要通过一块CAN总线驱动芯片才能连接到CAN总线。在这里我们选用的CAN总线驱动芯片为P82C250(图7中的U13)。为了使SJA1000与CAN总线驱动芯片互不干扰，良好通信。我们就在SJA1000与P82C250之间串入了高速光藕6N137(图7中的U11，U12)，实现了很好的电器隔离。
P82C250的输出信号就可以直接连在CAN总线上了。
单片机IO口驱动的点火电路本系统选用了两片SN74S373锁存器(图6中的U3和U4)，因为两片373锁存器的输入与SJA1000的输入总线复用，所以就用74LS138译码器与或非门组成了一个逻辑电路实现对三个逻辑器件的片选。锁存器带负载能力不强，所以又在后一级加入了一个驱动芯片ULN2803(图6中的U5和U6，实质是封装了八个达林顿管)，这样就可以驱动大功率的复合PNP管TIP147(图6中的Q1-Q16)。只要向373锁存器中输入不同的值便能实现对16路复合三极管每一路的接通与断开。要想实现成功点火就还得要把他们的公共地极也接通，也就是把图中的Q18MOS管接通。由图6可知，只要P3_4为低电平，则三极管Q17导通，继而MOS管导通。373锁存器为高电平所对应的相应通道就会有三十几伏的点火电压。当为检测状态时，我们就接通要检测通道所对应的三极管，而公共MOS管断开，这样如果接线无误则图中P3_5就会检测到高电平，否则为低电平。
电路图具体连线与说明图6中U1(AT89S51)为嵌入式单片机，负责整个电路的计算与分析。
U7(MAX813)是系统监控和复位芯片，它的第7脚和U1的第9脚相接(复位信号)，上电时为U1提供复位信号。其第6脚与U1的第13脚连接，提供看门狗功能，由U1定时复位，当系统出现死机或运行不正常时自动复位。
由晶振Y1和电容C19，C20组成的外部时钟电路接U1的18，19脚，为U1的MCU提供时钟。
集成电路U8(MAX232)为电平转换电路，U1的第10、11脚接U8的9、10脚，经U8将TTL电平转换为RS-232电平。由U8的第7，8脚输出构成RS-232的串行接口。
U14(SJA1000)为独立的CAN通讯控制器，U1的21，22脚通过译码器合成片选信号。U14的1，2脚和23-28脚(AD0-AD7)作为地址数据复用总线与U1的32-39脚相连接。U14的5，6脚读写信号与U1的16、17脚读写信号连接，U14的第3脚和U1的第30脚相连接。U14的16脚中断请求与U1的中断0即12脚连接。U1的第9脚通过或非门与U14的17脚复位脚相连接。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，U14的第13脚TXO_SJA和第19脚RXO_SJA分别接光偶U11(6N137)的第3脚和光偶U12(6N137)的第6脚，通过高速光偶6N167后与82C250相连，很好的实现了总线上各CAN节点间的电器隔离。
U2(B0505S)是一个直流电源隔离器件，使CAN通信器件电源与本电路其它数字器件部分互不干扰，其中U2的第1脚接输入地，U2的第2脚接+5V输入，U2的第4脚，3脚分别为输出的电源与地。
U11，U12(6N137)为光电偶合器，U11的第6脚接U13的第1脚，U12的第3脚通过一个电阻接U13的第4脚。
U13(82C250)为CAN总线收发器，第7脚和第6脚各通过一个10欧姆电阻与CAN总线连接，电阻起到一定的限流作用，保护U13免受过流冲击；CANH和CANL与地之间并联了两个30P的小电容，可以滤除总线上的高频干扰和一定防电磁辐射能力，在两根CAN总线接入端和地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管导通可起到一定的过压保护作用，U13的第8脚RS脚上接一个斜率电阻，电阻大小可根据总线速率适当调整，一般在16K-140K之间。
U10是4或非门，其中两组被当作反相器用，以实现对电平的整形。即U10的2，6脚接地，U10的第5脚接电阻R23与R24以实现电平的检测(R23，R24构成分压电阻以适合U10输入)，U10的第4脚接U1的15脚，即把检测到的电压经过反相整形送给单片机。U10的第1脚接U1的第9脚(复位信号)U10的第3脚接U14的第17脚，也就是把它们的复位信号连在一起，不过它们复位分别是高低电平有效，所以中间要加反相器。U9(74LS138译码器)与U10(CD4001或非门)构成地址译码器，由它们产生的数字信号负责对U3，U4，U14进行操作与片选。具体接线方式是U1的21，22脚(地址线)接U9的1，2脚，U9的15脚(译码输出信号)接U14的第4脚。U9的14，13脚(地址输出信号)分别接U10的9，12脚。U1的16脚写信号接U10的8脚和13脚。U10的10脚和11脚分别接U3的11脚和U4的11脚以实现对U3，U4的缩存操作。U3，U4(SN74S373JB)为锁存器，他们的3、4、7、8、13、14、17、18脚分别接单片机P0口的0-7脚，它们的2、5、6、9、12、15、16、19分别接U5，U6(ULN2803)的1-9脚，用于锁存从单片机P0输出的数据，并同时分别送给U5，U6为放大驱动芯片，它们输出的信号直接用于控制复合三极管Q1-Q16的通断，也就是控制点火头正电压的通断。点火头的公共地的通断由MOS管Q18控制，Q18的通断由单片机的14脚控制，中间接了Q17三极管进行了放大。在检测状态，Q18断路。被检测通道对应的三极管接通，其余的关闭，如果接通正常，则单片机15脚会是高电平，否则为低电平。
因为本点火头的电阻很小所以在点火的瞬间会产生很大的电流，为了减小点火头大电流对系统电源的影响，我们特意加了两个大电容(图6中的C26和C27)。
外部接口地址拨码开关(图7中的J7)；CAN总线与电源输入(图7中的J5与J6)；点火线路输出(图6中的J1与J2)；点火线路公共端输入(图7中的J4)。
权利要求
1.一种焰火燃放控制方法，其特征在于整个系统分为两部分，即图形化编排系统和燃放控制系统，编排系统进行所需燃放的烟花品种，数量，燃放时间的定义，以及对应的点火控制点编号分配，而燃放控制子系统则负责依据编排表实施控制点的点火；图形化编排系统以音频波形和播放时间为主轴，编辑从焰火库中取出要燃放的烟花对象拖放到指定的音频波形时间节点，系统自动生成烟花实际燃放的点火时间；具体方法是在系统中打开需要播放的音频文件，系统对该音频文件进行波形分析，画出该音频文件所对应的波形-时间对照图，得到焰火燃放编排的所需依据波形-时间参照主轴；在系统中播放该音频文件，根据音频的节奏及意境采集点火时间点，以图形符号标识；点火时间点采集完成之后，从烟花数据库中把一个标识本次要燃放的烟花对象的图形符号拖放到指定的点火时间点，同时可以设定该烟花的引线、上升时间、效果时间属性，系统自动根据这些属性生成烟花实际燃放的点火时间；所有的点火时间点都设定完成之后，保存编排数据；最后把这些编排数据下载到焰火燃放控制器中，焰火燃放控制器将生成与该编排对应的点火时间-地址码对照表，然后根据该表内容实施焰火燃放精确控制。
2.一种焰火燃放控制系统，其特征在于燃放控制系统由四个部分组成即音频分析处理机，燃放控制主机，集线器以及点火控制机；燃放控制主机由6.4寸TFT液晶屏、扫描键盘、工业控制主板并含1个以太网接口和2个RS-232接口、有线模块、无线模块组成，燃放控制主机是整个系统的核心部分，是燃放控制软件的载体，其通过通讯模块以太网/802.11无线网接收来自音频处理机发送过来的音频同步信号，同步系统燃放控制时间，并通过另一组通讯模块can总线模块/通用射频模块向集线器发送点火控制指令；或通过燃放控制主机的人机接口接收人工点火命令，向集线器发送点火指令；集线器由集线器板卡、2个有线模块CAN总线模块或远程通讯模块和1个无线模块通用射频模块组成，用于连接燃放控制主机和点火控制机，作为网络中继和分隔，负责燃放控制主机和点火控制机之间的数据传递；点火控制器提供有线通讯接口，接受并响应集线器转发过来的控制命令；点火控制器的点火头接口，直接连接电子点火头的导线，点火控制器接收到点火指令后，向对应通道送点火电流，进行点火；音频处理机由6.4寸TFT液晶屏、扫描键盘、工业控制主板、有线通讯模块或无线通讯模块组成，音频处理机提供音频播放和音频信号提取，通过人机接口进行两种模式的选择，同时提供无线信号强度监测；音频播放模式，音频处理机向音频输出接口送立体声信号，在同步时间点向燃放控制主机发送时间同步信息；音频提取模式，则通过音频输入接口提取音频信号并将提取到的同步信息通过通讯模块发送给燃放控制主机，实现音频播放和燃放控制在时间上的完全同步。
专利摘要
一种焰火燃放控制方法及系统，整个系统分为两部分，即图形化编排系统和燃放控制系统，图形化编排系统以音频波形和播放时间为主轴，自动生成烟花实际燃放的点火时间；燃放控制系统由四个部分组成，即音频分析处理机，燃放控制主机，集线器以及点火控制机。燃放控制主机是整个系统的核心部分，接收来自音频分析处理机的同步信号，向集线器发送点火控制指令，点火控制机进行烟花的点火。本发明实现音乐播放与烟火燃放完全同步，系统可靠性高，技术先进，观赏效果好。
文档编号F42B4/00GKCN1873365SQ200510136640
公开日2006年12月6日 申请日期2005年12月29日
发明者彭军, 颜斌 申请人:彭军, 颜斌导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan