喷泉在城市景观建设中日益占有重要地位,音乐喷泉尤其如此。而要想取得引人驻步的效果,必须有的控制技术及高可靠的工作性能。本文研讨这一问题。

一、音乐喷泉的控制技术

1.1音乐喷泉的定义

音乐喷泉是把现代控制技术应用于人工喷泉,通过现代控制技术把喷泉和音乐紧密结合而生成的一种新的喷泉艺术形式。在这种艺术形式中,音乐和喷泉以各自*的形式相互配合,共同表现相同的艺术内涵,它们的关系应该近似于音乐和舞蹈的关系、音乐和电影的关系,因此有以下关于音乐喷泉的定义:

定义:喷泉的动作和与之同时播放的乐曲之间存在内在联系的喷泉是音乐喷泉。

这个定义被人们普遍认同,但是满足这个定义的喷泉在效果方面有着很大的差别,其区别在于音乐喷泉功能的完备性,效果差别的原因是基本功能的差别。一个好的音乐喷泉应该具备以下基本功能:

1)音乐控制的功能:喷泉的喷水高度受音乐振幅的影响。2)音乐关联的功能:可以使喷泉的水型变化和音乐的段落、节奏相一致。3)时延补偿功能:喷泉、音响、灯光等所有设备的动作协调一致,喷泉动作滞后乐曲的问题得到补偿。4)节目的后制作功能:为喷泉的设计、调试、编辑、播放提供开放的操作机制,节目的制作主要不应在喷泉工程完成之前由工程承建方的计算机工程师完成,而是在工程完成之后,让用户通过专业的软件工具完成。这两种方法可以分别叫做喷泉节目的前制作和喷泉节目的后制作。

这些功能中,后制作机制是重要的。对于保证喷泉节目的质量、实用性、适用性有关键性作用,它是人本精神的体现,是喷泉控制技术实质性的进步,其结果是:

1)喷泉节目的曲目和数量不再受到限制。2)喷泉节目的制作由喷泉建造完成之前的闭门造车,变为喷泉完成之后的现场设计。3)喷泉节目的制作的主动权由喷泉工程的项目承建方变为喷泉项目的运营方。4)喷泉节目的制作人由未必懂得多少艺术的计算机工程师变为可能完成不懂得计算机编程语言但是更加懂得艺术的设计家、艺术家。

1.2喷泉的控制技术

可控人工喷泉的基本控制方法主要有两种:1)通过电磁阀对水路进行开关控制,这一方法可用于切换不同的水型,也可用于生成跑动、跳跃的效果。2)通过变频调速器对水泵的流量进行控制,这一方法可以连续改变喷水高度,跟踪音乐信号的动态变化,也可人为制造出各种动态效果。

基本的控制技术有三种:

1)模拟控制模拟控制的典型应用是音控喷泉:把声音信号做积分处理,积分的结果与适当的阈值相比较,让比较结果控制阀门的启闭,这就是音控喷泉的基本技术。如果使用的阈值有多个,各个比较结果开启不同的阀门,这就是高级音控喷泉了。如果让积分后的声音信号去控制变频调速器,从而对水流量进行控制,积分用的声间又是音乐信号,这就是“音乐控制的喷泉”了。一般的人们认为这就是音乐喷泉的基本模式。

2)程度控制程序控制技术的典型应用自然是程控喷泉,这类喷泉几乎都是用工业PL C(程序控制器)做控制器。在控制程序的作用下,一座喷泉会有多种基本水型,它们按照时序周期顺序出现。移动、跳跃、继续、交替等受到用户欢迎的喷泉效果,都是在程控喷泉中应用的。程控喷泉拥有广泛的用户。如果在设计程控喷泉时,把喷泉的各种变化过程和一支乐曲的起停、段落、节奏相关联,就出现了“音乐关联的喷泉”了,能把程控喷泉做到这样的水平是件不容易的事。

3)计算机控制的喷泉控制方式当然是计算机控制了。计算机可以轻易完成模拟控制和程序控制所实现的所有功能,还可以实现它们不易实现的和不可能实现的许多功能。计算机控制是喷泉控制技术的发展方向,比如音乐喷泉中遇到的以下技术问题,不依靠计算机就很难解决:

音乐信号振幅控制喷水高度时,喷泉的动作会比音乐信号滞后0—2秒,重力加速度的作用,导致滞后量是喷水高度的二次函数,是随机变量,实现音水同步成为许多音乐喷泉系统的核心技术。

由于PL C的梯形图语言的局限性,对复杂些程控喷泉进行编程已经力不从心,而对比程控喷泉复杂得多的音乐喷泉,更加无能为力。

高标准的音乐喷泉节目设计需要音乐舞蹈专业的人员来做,追求变化用户希望自己也能制作喷泉节目。做到这一点必须开发专门的编辑轻软件工具。

1.3音乐喷泉的控制技术

根据采用技术的不同,音乐喷泉可以分成多种类别:

1)音乐启动喷泉把音响设备和程控喷泉安装在同一个现场,每播放一首乐曲的时候就自动打开喷泉,曲目结束时关闭喷泉。根据定义,这种只存在外部的起停关联,一不存在内在联系的喷泉不是音乐喷泉。

2)音乐控制的喷泉这种喷泉通常采用模拟技术对音乐信号进行处理,用变频调速器做执行部件。这种喷泉控制电路简单,控制效果明显。常见的问题是动态范围小,有时喷水高度过小,有时喷水高度又会锁定在值。同时喷水动作滞后于声音等也是常见问题。

3)与音乐关联的喷泉由程控喷泉发展而来的音乐控制的喷泉,这种喷泉通常要用到PL C或者计算机。在理论上PL C控制方式下,音乐和喷泉可以有良好的关联性,但是节目制作过程很困难,所以只能向用户提供很少的喷泉节目,而且水型和音乐的关系经常不是很好。计算机控制方式可以看作PL C方式的改进型,它改进了系统开发商的开发环境,可是从用户角度看,由于没有合适的节目制作工具,也就没有实质性的改进,存在的问题和PL C方式相似。以上是较常见的几种典型的功能不完备型音乐喷泉。随着用户走向成熟,功能不完备型音乐喷泉正在被市场淘汰。

4)完备型音乐喷泉它必须同时具备以下4项机制:音乐对喷泉的控制的机制。音乐和喷泉的关联机制。反应速度不同的设备之间的延时量补偿机制。喷泉节目的后制作机制。

二、现场总线技术的应用

现场总线是现代控制技术发展的热点之一,是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术发展的结晶。现场总线是用于现场设备、仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统,按ISO的OSI标准提供了网络服务,可靠性高,稳定性好,抗力强,通讯速率快,造价低,维护成本低。

2.1现场总线的特点

（1）一对N结构：现场总线是一对传输线,可接N台设备、仪表,双向传输多个数字信号,如图1所示。它比模拟设备、仪表一对一接线、单向传一个信号结构接线简单,安装费用低,维护方便。

（2）可靠性高：控制单元的功能块分散到现场设备、仪表中,由现场设备、仪表构成控制回路,危险分散,提高了系统可靠性。现场总线是数字信号传输,抗干扰强、精度高。

（3）可互换性：来自不同厂家的现场设备、仪表在功能上可用同一功能的同类设备、仪表互换,不同牌子设备、仪表可以互连在一个网络上。

（4）可互操作性：虽然,连在现场总线上的现场设备、仪表的生产厂家不同、牌子不同,但由于现场总线设备、仪表引入功能块,所有厂家都使用相同的功能块。因此,组态方法是统一的,可互操作。

（5）开放式互联网络：现场总线是开放式互联网络,可与同层网络、不同层网络、不同生产厂家网络互连。网络上数据库共享。不同厂家网络和仪表可组成一个开放的现场总线控制系统。

2.2现场总线在喷泉控制系统中的应用

对于喷泉控制领域,采用现场总线的是可大大节约连接导线、维护和安装费用。同时,现场总线能够传送多个过程变量。传统的4mA-20mA控制回路一般只能携带一个信号,通常为过程变量。而采用现场总线后,在传输变量过程的同时,设备、仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。数字信号的精确性是现场总线的又一个优点,数字信号比4mA-20mA模拟信号分辨率高,因此,可以排除过去在模/数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场智能设备、仪表后也将成为可能。由于现场总线是双向的,因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行标定、调整及运行诊断,甚至能够在故障发生前进行预测,一个更为重要的方面是仪表的兼容性可以使用户大大收益。

由于上述优点,笔者在开发的喷泉控制系统中采用了现场总线技术。对射灯、喷水阀的控制采用了如图2方案,即PC机通过232/485—485/232控制PL C,再由PL C经过固体继电器控制灯、阀。

对水泵变频器的控制采用了如图3方案,即PC机通过232/485—485控制变频器再由变频器控制水泵。

从控制系统的实际效果看,该系统的施工简便,可靠性和维性高,受到用户好评。

三、喷泉控制技术的未来展望

在功能方面:会出现一些具有完备音乐喷泉的全部特征,同时具有特别突出的其他特征的喷泉。比如要求对音乐信号进行精细的频谱分析;要求包含一些互动功能,要求工程的规模巨大等等。在低端会出现一些小型廉价的家用音乐喷泉。在控制方法上:系统中依靠PC机的系统会继续发展,在低端脱离PC机的系统会发明出来,使音乐喷泉早日走入家庭,大型系统中闭环控制系统将会大量应用。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的音乐喷泉方案详情。如果您有音乐喷泉控制器的开发设计需求，可以放心交给我们，我们有丰富的电子产品定制开发经验，可以尽快评估开发周期与IC价格，也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商：松翰、应广、杰理、安凯、全志、realtek，有MCU、语音IC、蓝牙IC与模块、wifi模块。我们的开发能力涵盖了PCB设计、单片机开发、蓝牙技术开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发等软硬件设计。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS耳机开发、蓝牙耳机音箱开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。