基于Labview音乐喷泉的仿真.docx
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基于Labview音乐喷泉的仿真
CENTRALSOUTHUNIVERSITY
本科生毕业论文（设计）
题目基于LabVIEW的音乐喷泉仿真控制系统
学生姓名pdw
指导老师熊红云
学院信息科学与工程学院
专业班级
完成时间2009年6月
摘要
目前，在我们日常生活中比较常见、园林建筑与音乐欣赏相结合的艺术产物—音乐喷泉的生产和应用已经比较普及，但由于硬件设备和控制算法的制约，生产安装前缺少测试，系统也存在着同步性、稳定性较差，控制精度低等诸多不足。
鉴于虚拟仪器的优势与特点，因此着力于减少视音滞后时间、提高控制精度的基于虚拟仪器的音乐喷泉模拟仿真尤为重要。
本文在分析和总结其他控制方法的音乐喷泉研究的基础上从音乐喷泉控制方法入手，采用模块化设计，结合FMOD对MP3、WAV格式文件编码解码，围绕信号生成、信号处理、控制输出三个步骤，选用LabVIEW软件，使用声音文件VI编程制作了音乐播放器，并同时稳定检测音频信号、分析处理后产生控制信号输出。
完成了具备各种初步测试功能、播放与控制响应同步的LabVIEW音乐喷泉仿真系统。
论文简要分析了音调、音强、音色对喷泉控制信号变化的影响：
音调（音频成分中的频率信号）和音强（幅值信号）均有较规则的相似的波动，并且和音乐高低起伏同步变化。
音色由幅值和相位决定，对播放效果有直接影响却作随即波动，故和控制信号的生成无较大关联。
论文还提出了预编辑预处理方法和参数在线修改等解决方案视音滞后和控制精度较弱的问题。
最后简要的分析了系统的可改进行并对控制系统的网络化和功能齐全化、智能化作了展望。
关键词：
LabVIEW，音乐喷泉，仿真与监测，视音同步，音频信号处理
Abstract
Themusicalfountainiscommoninoureverydayliveswhichistheartisticproductswithlandscapearchitectureandmusicbemadeup.Althoughitsapplicationhasbeenrelativelypopular,becauseofalackoftestingbeforeproductingandinstallation,thesystemsalsohaveproblemsonsynchronization,stability,andaccuracy.Thereforethesimulationandmonitoringofmusicalfountainfocusonreducingthevisualvocallagtimeaswellasimprovingthecontrolprecisionisparticularlyimportant.
Onthebasisofanalysisandsummaryofothercontrolmethods,startingwithmusicalfountaincontrolmethodsandusingmodulardesign,thisthesisiscombinedwithFMODtoMP3/WAVcodecformat,andsurroundingthethreeaspects,suchassignalgeneration,signalprocessing,controlsignaloutput.UsingthesoundfilesVIfromLabVIEWsoftware,ithasproducedamusicplayer,withthefunctionoftestingthestabilityoftheaudiosignalprocessingcontrolsignalaftertheoutput.ThethesishavealsocompletedthemusicfountainofLabVIEWsimulationsystemforpreliminarytestingofvariousfunctionsinresponsetosimultaneouslyplayandcontrol.Abriefanalysisofhowthetone,thesoundintensityandtimbremakeanimpactofchangestocontrolsignals.Tone（audiofrequencysignalcomponents）andthesoundintensity（amplitudeofthesignal）aremoresimilartothevolatilityoftherules,andmusicsynchronizationchangeupsanddowns.Thetimbredecisionbytheamplitudeandphase,haveadirecteffectontheplayersbutfortheimpactoffluctuationsinimmediately.Italsohavelittlecorrelationtothegenerationandcontrolsignals.Thesettltments（apre-edit、pre-processingmethods,onlineparametersmodify）,fortheslowandweakcontrolissues,werealsoproposed.Theinaccuracyandtheprospect,suchasnetworkcontrolsystemandfull-featured-intelligentsystemsweretakenstockofattheendofthethesis.
Keywords:
LabVIEW,Musicalfountain,SimulationandMonitoring,VisualVocalLag,ASP（audiosignalprocessing）
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[1]。
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计。
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[1]。
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。
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[2]。
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[3]。
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4KBFlashROM，而且价格低廉。
用FlashROM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。
图1-1基于单片机的音乐喷泉控制框图
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[3]。
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。
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作和播放是面临的最大的问题。
其次是喷泉可靠性和稳定性的问题。
所以音乐喷泉控制系统在当今社会和生产力的推动下必须越来越明显的具备智能、开放、通用、安全这四大特性，智能化要求控制系统在平衡调节、控制精度、反应时间上都趋于零；当今数控、智控时代不论是控制方法还是研究生产都要求开放化，为系统的改进提供便利；通用化要求控制系统的接口兼容都具备相应的标准，消除专用专修专卖；安全化更是要求系统在研发、生产和运行阶段都零风险。
这些要求得以满足音控喷泉才真正能在各个方面满足观众、设计者、运营商的利益。
这四大特性也正是音乐喷泉的发展趋势之所在。
1.3本文结构及主要研究内容
本文简要介绍了音控喷泉的现状，着重分析了几种工具下的音乐喷泉控制系统的控制方法和发展趋势。
对传统系统中的音乐喷泉控制方法以及软硬件设计作了基本阐明。
通过对比各种不同控制方法的音乐喷泉控制系统和分析各系统存在的缺点与不足，得出了基于LabVIEW的音乐喷泉仿真控制系统的总体设计方案。
接着对仿真系统中的音频处理原理和过程、仿真控制系统的模块组成及各模块原理与功能、控制面板操作以及调试步骤方法等都一一作了介绍。
此外还对本次仿真系统概括了改进性分析。
第一章绪论主要阐述了课题的研究背景与意义；第二章以其控制系统为代表主要介绍音乐喷泉的现状与趋势，并且提出了本系统的控制方法和总体设计方案；第三章为音频编码解码原理介绍，并且详细介绍了本系统中应用到得虚拟仪器音频分析原理和方法；第四章叙述了仿真平台LabVIEW的现状与发展趋势及其优点；最后介绍了本系统的功能模块、设计思想、调试方法，并且简要作了改进性分析。
第二章音乐喷泉控制系统
2.1音乐喷泉传统控制系统
2.1.1传统系统控制原理
音乐喷泉是用声音来控制乐喷泉水形变化的一种自动控制喷泉。
它一般
由以下几个部分组成（如图2-1）:
（1）声—电转换、放大装置:
通常由电子线路或数字电路、及计算机组成；
（2）执行机构：
电磁阀；
（3）动力装置：
变频器、电机、水泵；
（4）其它设备：
主要由管路、过滤器、喷头等组成。
音乐喷泉的工作原理则是将音频信号转变为电信号，经过放大及其它一些处理得到控制信号来启动或者关闭继电器或电子开关，一种方案是去控制设在水路上的电磁阀的启闭，另一种方案是去控制水泵电机，从而达到控制喷头水路的通断，这样随着声音的变化，人们可以看到喷水大小、高矮和形态的变化。
此外还有一个方案则是去控制变频调速器的转速，从而达到控制泵的压力给予，最终达到控制水压以及喷水高度[7]。
图2-1音乐喷泉控制原理图
2.1.2传统系统的软硬件技术
音乐喷泉的主要控制单元有三类：
灯、泵和喷头。
彩灯的闪动、泵的转速调整以及喷头的止动的控制信号都来自于现场总线。
当然如果是小型喷泉，则简单的串并行接线即可。
总线的控制信号由计算机根据录音器或者音乐播放器产生。
具体产生原理由软件设计完成。
控制系统的软件编程一般都基于其控制方法，例如对于单片机控制系统。
主要是通过信号的采集或者预先存储的数据来获得音频信号。
通过A/D转换得到可控制执行机构的数字信号。
再例如对于PLC控制系统，则主要是通过音频信号中波形的实时幅值来对变频调速器速度调整。
传统方案中进行软件设计时，首先将设计好的彩灯与喷头的组合花样作为数据文件存储起来，系统采用定时中断方法处理各项任务，中断服务程序框图如图2-2所示。
在无音乐或音乐输入无效时，随机选出一种状态数据来完成灯光组合数据输出。
虽然它也能够自动完成多种喷头花样组合及彩灯的变换，但是它不是随着音乐节奏变化而变化，故令人有一种不协调的感觉。
如果音乐信号有效，则进行实时音频信号采样，再经过数字信号处理，为了消除喷泉系统的延时误差，先把音频信号送变量泵输出，音频信号得延时T时刻后，才送功放，同时完成灯光组合数据输出，从而解决了音乐与喷水不能同步的问题。
详细的软件设计在次不作多述。
图2-2中断服务程序框图
2.1.3传统系统的优点与缺点
对于市场上现在正在运作的音乐喷泉的系统分析，大部分喷泉的控制器的选择如下：
小型音乐喷泉：
音频转换器AUDIO2.0；中型音乐喷泉：
微电脑音乐喷泉控制器LSM-48；大型音乐喷泉：
电脑音乐喷泉控制软件MFTPRO；程控喷泉是按照预先编辑的程序定时变换喷水造型。
实现方法：
小型程控喷泉：
微电脑程控喷泉控制器LSP-16；中型程控喷泉：
微电脑程控喷泉控制器LSP-48；大型程控喷泉：
电脑程控喷泉控制软件MFTPRO；跑动喷泉是按照时序控制喷水，构成各种跑动、跳动、波动等形态，变化多端。
实现方法：
小型跑动喷泉：
微电脑跑泉控制器LSR-48；中型跑动喷泉：
微电脑跑泉控制器LSR-96；大型跑动喷泉：
电脑跑动喷泉控制软件MFTPRO；游乐喷泉是供游客参与其中娱乐、戏耍的喷
泉，如：
戏水踏泉、迷宫喷泉、遥控喷泉等。
实现方法：
遥控喷泉：
遥控喷泉控制器LSP-16R；感应喷泉：
感应喷泉控制器LSP-16I。
针对当前的音乐喷泉有以下几个缺陷：
成本大，耗资高；稳定性差，维修率高；没有统一规范和标准；区域差价大；彩灯寿命特别短，水泵、电缆容易出现安全性问题；性/价比级底，特别是水幕电影、喷火、激光表演耗费更大；能源耗费大，对比传统系统与虚拟仪器系统，分析如表2-1,虚拟仪器在众多方面都占据着绝对的优势。
表2-1传统仪器与虚拟仪器的比较
传统仪器
虚拟仪器
功能由仪器厂商定义
功能由用户定义
与其它仪器设备连接十分有限
可方便的与网络外设及多种仪器连接
图形界面小，人工读取数据，信息量小
界面图形化，计算机之际读取数据并分析处理
数据无法编辑
数据可编辑、存储、打印
硬件是关键部分
软件是关键部分
价格昂贵
价格低廉，仅是传统仪器的1/5至1/10
系统封闭、功能固定、可扩展性差
基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器
技术更新慢
技术更新快
开发和维护费用高
基于软件体系的结构可大大节省开发费用
2.2基于LabVIEW的音乐喷泉控制系统的总体
2.2.1设计原理与控制流程
与传统系统控制原理相似，仿真系统分为信号产生、信号处理、信号传输、执行动作以及反馈控制五个部分。
按照设计方法，经过编程和调试后实现一个基于LabVIEW的喷泉仿真系统，变频调速器的各种区段的速度、彩灯、继电器盒电磁阀由指示灯的不同颜色表示，音乐编辑器的信号同时生成波形，根据波形变化与指示灯的闪动是否一致可以直观方便快捷的观察音乐喷泉的视音同步性。
此外，调试阶段的N秒滞后时间的设置也可以对同步性作调整。
然而喷泉实际控制系统中，由于电信号与机械信号传输速度的差别及信号转换的延迟，不可避免的会产生视音误差，考虑其因素主要集中在电机、水泵、管路三大部分上，在仿真设计中将着重对这三部分进行了分析。
此外，对于音调的高低起伏是由频率信号还是幅值信号决定，也将通过LabVIEW仿真系统做对比得到结论。
设计流程图如图2-3。
图2-3设计流程图
2.2.2硬件结构组成
硬件结构分为信号发生与处理设备、传输线路和执行设备。
如图2-4。
图2-4硬件结构框图
其中录音设备为普通录音器、话筒等；计算机为安装有LabVIEW8.5且带DAQ通信设备（数量由喷泉复杂度决定）；扩音器为喇叭；传输线路可为工业以太网或总线；中继器为普通的中间继电器；电磁阀、变频调速器标准电流要求为4-20mA。
由于本次为仿真设计，因此硬件设计不作过多的设计。
录音设备和彩灯、电磁阀、变频调速器等设备以及传输线路都由LabVIEW中的其他图形化工具代替。
例如：
彩灯由指示灯代替，电磁
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