基于DSP的大型焰火燃放控制信号集成系统

大型焰火燃放活动的应用场景一般情况下会有多种形式，例如北京奥运会焰火、2014年APEC焰火、2012年的中部投资贸易博览会焰火等政府举办的大型演出活动，各种地方性庆典活动以及商业演出活动中也会应用到焰火燃放，根据多年参与各种大型焰火燃放活动的经验，在对各种大型焰火活动应用场景的研究中，我们发现一个比较突出的问题，在某一场大型的演出活动中，往往会综合多种演出元素如灯光、激光、焰火、水幕、音乐、LED大屏、视频等进行表演，而不同的演出单元分别有自己独立的演出控制系统以及与之配套的信号控制系统，如何在一场演出活动中对所有表演元素进行统一控制，是目前大型综合演出领域的一个技术难题，为更好的满足演出活动相关演出元素同步控制的技术需求，随着对已有的焰火燃放控制系统的进一步开发和研究发现，一种基于DSP运算平台下的大型焰火燃放控制信号集成系统能很好的解决这个问题。

如何有效的综合所有表演元素，进行统一控制，关键需要解决两个技术难点，第一个难点是，在各表演元素中，每个独立的表演系统都有其自身所具有的一套独立的时间码控制信号来进行控制系统，如灯光系统和水幕系统，一般都是使用标准的DMX512时间码来进行控制，而焰火燃放点火系统则普遍使用FSK或者是SMPTE时间码进行点火控制，在每个不同的表演单元中，这些控制系统是完全独立且无法兼容的;第二个难点是，每个表演元素都有独立的编辑软件和控制系统，在前期的编排设计中，因为各系统的独立性，很容易导致整个演出的编排设计出现表演时间节点的重叠，甚至可能会出现激光、焰火和灯光同时在某个时间节点上进行表演，从而破坏了整个演出的效果，而且在演出过程中，因为存在各个演出单元控制系统的独立性，很容易出现因为各控制单元的本地时间差异所导致的演艺设备控制不同步的问题。

我们研发的这套大型焰火燃放控制信号集成系统，针对上述两个技术难点进行系统的整体设计，通过对各个表演元素的系统研究，我们发现在所有的控制信号中，有模拟信号，也有数字信号，且各个演出单元的系统控制都有一个重要的共性技术，既以时间码为标准来实现对设备动作的可控性，每个演出单元的时间码格式可能不是完全一致，有的使用DMX512信号，有的使用SMPTE信号等，考虑到所有表演元素各系统的不兼容性以及在各独立终端部分的可控性，我们在设计之初，主要通过以下两个方面的设计来解决问题，首先需要解决是多个独立信号的集成控制问题，根据这个思路，我们提出了两种解决方案，这两种方案各有优缺点，第一个方案是我们可以通过对每个通道单独应用A/D（数字/模拟）信号转换的形式来进行统一控制，采用该方法时，对于各演出单元的终端设备（灯具、喷火机等）还需要进行动作的系统控制，所有的控制信号都需要进行重复处理，虽然硬件设备的成本投入比较低，但在对表演单元终端设备控制的过程中容易造成数据丢失或终端设备不可控的情况，这对于演出活动效果来说，就无法提供有效的技术保障，第二个方案则是通过在所有控制系统前端增加一个多通道信号控制系统来进行统一控制，而采用这种方法，则需要研发一个基于DSP平台的技术设备，在进行数模转换的同时，还能将不同控制信号分别发送个各个对应的演出单元控制系统，且完全跟随原有的控制系统编排动作，不会对终端设备动作产生任何不良影响，但因为需要重新开发软硬件平台，需要投入成本比较大;其次，针对第二个技术难点，我们还需要对所有表演元素制定一个统一的时间码编码标准，并以此标准作为所有表演元素编排设计的统一时间节点标准，在演出前将此时间码标准分发到每个不同的表演单元，要求按照该标准进行编排设计和系统功能控制，这样就能有效避免因为分开编排设计导致可能重叠的表演动作。

基于对系统稳定性的考虑，我们最终采用了第二种方案进行系统开发，采用目前通用的安卓系统作为操作系统软件平台，使用DSP（Digital Signal Processing）技术为硬件开发平台，采用自主研发的多通道信号集成控制设备形成一个信号系统控制中心，通过开发一套控制信号集中处理软件，将所有控制信号（无论是模拟信号或者是数字信号）调制成可以被各个演出单元识别和接收的数字信号，利用控制中心的多个通道获取与其相连接的N个演出单元的接口信息，通过网络技术实现同步各个演出单元的时间码同步功能，由该控制中心总控所有的时间码控制信号。因为采用了多个控制通道，每个控制通道都将对应一个单独的演出元素控制单元，每个独立演出元素的控制单元则应当有对应的多媒体控制数据。当演出开始时，所有的控制信号统一由控制中心发送给多通道信号集成控制设备，并由该设备进行解调之后，变成各个演出单元控制系統本身能识别的信号，并发送给各个演出单元终端进行系统控制。针对可能存在演出场景和地点的变化问题，例如有主会场和分会场的不同，控制中心也可以设计为可堆栈的模式，参考了比较先进的CAN—BUS总线系统的结构形式，通过光纤或者无线局域网等网络技术来实现系统同步功能。

为解决各个演出单元可能在演出时间节点的重叠问题，该系统在设计之初，就已经约定了一个统一的时间码编码标准，所有表演元素的编码时间节点都进行了有效的编排设计和时间节点确定，不会出现表演动作重叠或冲突的情况。因为采用了多通道的统一时间码控制技术，由控制中心发送唯一标准的时间码给各个独立通道，在整体控制过程中，控制中心负责通过调制解调控制信号来触发各个独立表演元素启动或停止，通过对所有表演元素的时间码控制信号进行统一分配和控制，从而达到所有演出单元的时间轴统一，在各个演出单元终端设备动作的时间性上达到完全同步。因为控制中心只将统一的时间轴信号发送给各演出单元的控制系统，每个演出单元终端设备的信号控制和动作指令的下达仍然是由各演出单元控制系统独立完成，所以该集中控制系统也不会对各表演元素的控制产生交叉影响，更好的保证了整体演出的可控性。

作者简介：

钟勇（1975.2-），男，汉族，湖南汨罗，本科学历，现就职于浏阳市北极星烟花贸易有限公司，工艺美术师职称，主要从事大型焰火燃放编排设计、现场管理和综合控制工作。