1、音乐喷泉：是在程序控制喷泉的基础上加入音乐控制系统，计算机通过对音频及 MIDI 信号的识别，进行译码和编码，最终将信号输出到控制系统，使喷泉及灯光的变化与音乐保持同步，从而达到喷泉水型、灯光及色彩的变化与音乐情绪的完美结合，使喷泉表演更生动，更加富有内涵。程控喷泉：将各种水型、灯光，按照预先设定的排列组合进行控制程序的设计，通过计算机运行控制程序发出控制信号，使水型、灯光实现多姿多彩的变化。 另外，喷泉在实际制作中还可分为水喷泉、旱喷泉及室内盆景喷泉等。喷泉工程有以下几种：1、 广场喷泉：广场是一个城市重点人文景观，喷泉与之相配，衬托广场的宏大壮观，绿地与鲜花、白鸽与飞舞的水花更显都市的浪漫
2、。广场喷泉一般采用多种类型喷泉组合以衬托广场的宏大壮观。2、 景点喷泉：景点包括公园、道路、街区、各种建筑、江、河、湖、海及旅游景点等，其喷泉种类很多，除常用的普通音乐喷泉外，还有各具特色的层流喷泉、跑泉、旱泉、子弹喷泉、激光水幕喷泉、水幕电影和各种趣味喷泉，如鼠跳喷泉、时钟喷泉、乐谱喷泉、迷宫喷泉、喷火喷泉、游戏喷泉等。3、 旱泉：喷泉放置在地下，表面饰以光滑美丽的石材，可铺设成各种图案和造型。当音乐响起时，水花从地下喷涌而出，在彩灯照射下，地面尤如五颜六色的镜面，将空中飞舞的水花映衬得无比娇艳，使人流连往返。停喷后，不阻碍交通，可照常行人，非常适合于宾馆、饭店、商场、大厦、街景小区等4、
3、跑泉：尤适合于江、河、湖、海及广场等宽阔的地点。计算机控制数百个喷水点，随音乐的旋律超高速跑动，或瞬间形成排山倒海之势，或形成委婉起伏波浪式，或组成其它的水景，衬托景点的壮观与活力。5、室内喷泉：各类喷泉都可采用。控制系统多为程控或实时声控。娱乐场所建议采用实时声控，伴随着优美的旋律，水景与舞蹈、歌声同步变化，相互衬托，使现场的水、声、光、色达到完美地结合，极具表现力。6、层流喷泉：采用特殊层流喷头，将水柱从一端连续喷向固定的另一端，中途水流不会扩散，不会溅落。白天，就象透明的玻璃拱柱悬挂在天空，夜晚在灯光照射下，尤如雨后的彩虹，色彩斑斓。适用于各种场合与其它喷泉相组合。7、趣味喷泉：子弹喷泉
4、 :在层流喷泉基础上，将水柱从一端断续地喷向另一端，尤如子弹出膛般迅速准确射到固定位置，适用于各种场合与其它的喷泉相结合。鼠跳泉 : 一段水柱从一个水池跳跃到另一个水池，可随意启动，当水柱在数个水池之间穿梭跳跃时即构成鼠跳喷泉的特殊情趣。 时钟喷泉:用许多水柱组成数码点阵，随时反映日期、小时、分钟及秒的运行变化，构成独特趣味。游戏喷泉:一般是旱泉形式，地面设置机关控制水的喷涌或音乐控制，游人在其间不小心碰触到，则忽而这里喷出雪松状水花，忽而那里喷出摇摆飞舞的水花，另人防不胜防。可嬉性很强。适合于公园、旅游景点等。具有较强的营业性能。乐谱喷泉：用计算机对每根水柱进行控制，其不同的动态与时间差反映
5、在整体上即构成形如乐谱般起伏变化的图形，也可把 7 个音阶做成踩键，控制系统根据游人所踩旋律及节奏控制水型变化，娱乐性强适用于公园，旅游景点等。具有营业性能喊泉:由密集的水柱排列成坡型，当游人通过话筒时，实时声控系统控制水柱的开与停，从而显示所喊内容，趣味性很强，适用于公园、旅游景点等，具有极强的营业性能8、激光喷泉：配合大型音乐喷泉设置一排水幕，用激光成像系统在水幕上打出色彩斑斓的图形、文字或广告，即渲染美化了空间又起到宣传、广告的效果。适用于各种公共场合，具有极佳的营业性能。激光表演系统由激光头、激光电源、控制器及水过滤器等组成。其控制系统由奔腾多媒体电脑、高速控制驱动组件及真彩色多媒体激
6、光动画节目。 9、水幕电影水幕电影是通过高压水泵和特制水幕发生器，将水自上而下，高速喷出，雾化后形成扇形 “银幕“，由专用放映机将特制的录影带投射在“银幕“上，形成水幕电影。当观众在观 摩电影时，扇形水幕与自然夜空融为一体，当人物出入画面时，好似人物腾起飞向天空或自天而降，产生一种虚无缥缈和梦幻的感觉，令人神往。树冰喷头树冰喷头喷水时外观效果庞大丰满，粗壮挺拔，喷头安装在导流上端与水面水平，喷水时能将池水带出，形成粗大壮观的水柱，抗风力较强。这种喷头广泛用于广场和公共场所喷水池中。万向直流喷头直流喷头在各种场合的喷水池中广泛应用，并是音乐喷泉的必备喷头，这种喷头装有球型接头，可沿垂直方向 15
7、 度进行调节，万向直流喷头可组合各种不同形状的喷射效果，射流的高低和角度的变化，可根据水池形状大小定。孔雀开屏(半球蒲公英 )喷头半球蒲公英喷头也称孔雀开屏喷头，但它结构原理与构造形式和开屏( 散射)喷头都不相同，而与蒲公英喷头基本相同，其区别仅在于它是半球形，喷出的水姿像半环蒲公英，又像孔雀开屏。对水质的要求与蒲公英喷头相同，可应用于各种喷水池中。中心直上喷头中心直上喷头是在同一个配水箱上安装许多万向直流喷嘴，当这些喷嘴规格相同时，喷出的水姿雄壮笔直；当这些喷嘴规格不完全相同时，大小喷嘴布设得当，喷出的水姿粗壮有力，层次分明、主题突出，是大型喷泉必备的主要喷头。该喷头也叫中心水柱。雾状喷头雾
8、状喷头它喷出的水滴非常细小，成为雾状，在阳光照射下可形成七色彩虹。因喷嘴构造差异，喷出的水姿也有不同，喷水时噪声小，用水量少，一般安装在雕像周围。花柱喷头花柱喷头是多孔散射喷头的一种，又名层花喷头、花篮喷头等。喷水时，其外观形似一束鲜花，造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。旋转喷头旋转喷头是利用水流的离心作用和反作用力的推动，使喷头边喷水边旋转。由于喷头的支管数目。弯曲方向及喷头安装的倾斜角度不同，在喷水时形成美观多姿的不同造型如旋转喷头、旋转花篮喷头。牵牛花喷头牵牛花喷头又称喇叭花喷头。它是利用折射原理，喷水时形成均匀的薄膜，其形状在无风和一定的水压下可形成完整的喇叭花型。这种喷水
9、适用于室内或庭院的喷水池。在喷头下方可安装阀门调节水量，同时还可以调节喷头顶部的盖帽，使喷水花型达到最佳效果，半球喷头与此原理相同。扁嘴喷头扁嘴喷头喷出的水形美观，适用于各种场合的喷水池中，扁嘴喷头装有球形接头，可作垂直方向和倾斜 15 度安装。扇形喷头扇形喷头是一种多嘴散射喷头，它是将一些直射小喷嘴设在同一个配水室上，喷水造型尤如孔雀开屏，又像扇面。因此，又称孔雀或孔雀开屏喷头。可垂直安装，也可倾斜安装。可调玉柱喷头玉柱喷头喷嘴断面为一环缝隙，当压力水从中直射喷出时，其水姿呈筒状空心水膜，形似水晶圆柱。该喷头喷出的水势宏伟壮观，抗风性能好。涌泉(鼓泡 )喷头涌泉喷头也是加气喷头的一种，又称鼓
10、泡喷头、珍珠喷头。喷水时能将气吸入，使水姿形成充满空气的白色水丘，这种喷头可用较少的水量获得丰满庞大的景观，它可广泛用于各种场合喷水池中。礼花喷头礼花喷头是多孔散射喷头的另一种，又称莲蓬喷头。由于它与花柱喷头的构造稍有不同，喷出的水姿与花柱也有区别，它的喷水造型尤如正在燃放的礼花，造型美观，安装方便，适用于各种场合的喷水池中。加气喷头加气喷头也称为掺气喷头、泡沫喷头、吸气喷头等。这种喷头用射流泵的原理，喷水时将空气吸入，以少量的水产生丰满的射流，喷头的水柱呈白色不透明状，反光效果好。调节外套的高度可以改变吸入的空气量，吸入空气越多，水柱的颜色越白，泡沫越细，喷头有球形接头，可绕中心线轴向 15
11、 度转动。它适用于室内外的各种喷水池中。音乐喷泉是由电脑控制声、光及喷孔组合而产生不同形状、不同色彩、配合音乐节奏而构成的综合水景。水的形态会随着声音的抑扬顿挫而跳起舞来，加上灯光的照射，可以形成舞姿优美、色彩斑谰的多样喷泉。由于音乐喷泉的声、光、色、形俱美，常常用作风景园林的主景，或设专门的表演剧场，就如舞台上的表演艺术一样，可激起人们的沉思、咏叹、惊喜、雀跃的情绪而得到水美的艺术享受。音乐喷泉的使用越来越广泛，涉及 PLC，变频器，单片机，上位机，触摸屏等，涵盖自动化的各个学科，并且形象直观，非常适合于本科生，研究生等做实验，是各个教学设备生产厂家没有关注到的领域，鉴于此我们公司全力开发了
12、喷泉系列产品，与传统的电梯控制程序形成鲜明的对比，力争在全国教学设备领域处于顶尖地位，塑造永嘉公司在业界新的形象。水景喷泉，已随着科学技术的发展进步，不断融入我们现代城市、现代企业和现代生活，也营造了一个富有时代特征、多姿多彩、健康向上的精神文化。特别是音乐喷泉，既展示了我们城市的文化品位、文明素质，又给我们旅游商贸等社会经济带来了活力和生机。当今喷泉已融入现代科技、建筑环境艺术和文化娱乐、社会经济为一体的多功能综合景观艺术。因此我们在研究“美学、水学、电学“互为互补科学关系的同时，利用计算机、软件、激光、变频技术等机电一体化现代科技，开发研制各系列喷泉控制系统。特别是最近研制的音乐喷泉控制系
13、统，不但结构先进灵活方便可靠，可利用各种音源（如录音机、CD、VCD 、DVD、卡拉 OK 音乐会），在喷水现场，根据不同的要求，通过控制任意改变喷水的高低、花形花样，而且克服了以往音乐与喷水不够同步、音乐曲目难改等缺点，更有效控制多路各种变化，既能创造出高歌澎湃、激昂热烈的壮观场面，又能达到轻歌曼舞柔情摇曳，绚丽多姿的景观，真正使音乐、水姿、色彩和感观有机融合，令人迷恋、陶醉！音乐喷泉的工作原理是，根据播放的音乐来控制水柱，达到与音乐同步的效果，而水柱是由水泵来控制的，而水泵是由三相异步电动机组成的，三相异步电动机的转速如果通入工频电源，转速是不变化的，变频器是专门针对电机调速的装置。由变频
14、器控制电机的转速，使水柱发生变化。音乐喷泉的使用越来越广泛，涉及 PLC，变频器，单片机，上位机，触摸屏等，涵盖自动化的各个学科，并且形象直观，非常适合于本科生，研究生等做实验，是各个教学设备生产厂家没有关注到的领域，鉴于此我们公司全力开发了喷泉系列产品，与传统的电梯控制程序形成鲜明的对比，力争在全国教学设备领域处于顶尖地位，塑造永嘉公司在业界新的形象。音乐喷泉主要有音源，音频处理模块，变频器，泵模块，水源模块等，现将各个部分模块的计划介绍如下：1.音源主要是 CD/VCD 或者 MP3/MP4 等，是音乐产生的部分是音乐喷泉的灵魂所在，外接一个转换头一边接音响一边接 AC/DC 转换器，实验
15、初期可以先只买一个转换器利用公司现有的电脑或者其他音源，音箱公司也有，因此音源部分的前期投入最小化。转换器价格需要到中关村买，价格大约 10 元左右2.音频处理模块即 AC/DC 转换器，音源输入接 CD 机或现场 K 歌、DJ 表演线路输出，转换器输出为 0-5V 模拟电压或者 4-20MA 模拟电流，可直接驱动变频器。3.变频器 变频器是音乐喷泉的关键所在，选用国产变频器实现整个的音乐喷泉控制。变频器备选方案：4.泵模块 基于实验要求采用微型泵，鱼缸用泵即可，电源要求交流 220 伏,备选：关键字：变频器，音乐喷泉往往音乐喷泉系有统中由很多小型电机组成，功率很多在 0.75KW，就目前这个
16、项目中，中共要 30 台这样的小电机，共用一台变频器来同步控制这些电机。变频器的功率为37KW变频器的选择原则是：所有电机功率加起来再放大一挡，由于考虑电机与变频器的布线较远，且有很高的加减速时间，故将变频器的功率选择为 37KW.变频器采用我公司生产的 ZY-P800-37K-3C 的水泵专用变频器，功率为：37KW,过载能力为：120。变频器的接线方式如下：L1,L2,L3.接交流 380V 电源，U,V,W 接三相异步电动机，分别接到 30 台电机上面 .每台电机需接单独的热继电器。控制端子 CM 与 OP6 短接（正转启动信号）。音乐放大器输出的 020MA 信号输入到 AN2, GN
17、D 端子（控制变频器的速度）。AN2 接正信号，GNG 接负信号。变频器的参数设置如下：F109=0.5 加速时间F110=0.5 减速时间F200=1 控制方式为外部端子控制F202=3 由 AN2 进行 420mA 的模拟量输入调速F301=4 平方 V/F 曲线。输入以上参数即可，确保音乐放大器经过一个转换器后输入到变频器的信号是 420mA 喷泉能将水的灵性、音乐的美感和灯光的色彩完美结合在一起，给人以赏心悦目的感觉。随着社会经济和技术的发展、文化艺术生活品位的提高，人们对喷泉的技术含量和艺术效果也提出了更高的要求。如今，设置在城市广场等规模较大的喷泉，已不再是采用几个按钮或一些逻辑开
18、关的简单控制就能满足观众日益提高的欣赏水平要求。为此，在工业自动化系统的工程经验基础上，开发了一套适合音乐喷泉特点的计算机控制系统。1 音乐喷泉控制概述音乐喷泉工程中安装有大量的电磁阀门、彩灯、水泵和产生其它机械动作的电机。除个别变频水泵需要用模拟信号来连续调节水柱高度、实现特定的艺术效果之外，其它部件基本是通过开关量进行控制。这些开关信号驱动阀门、彩灯、水泵随着音乐进行不同的组合，从而产生各种水形和灯光变换效果。为了达到听觉、视觉的和谐统一，控制系统应能根据音乐的节奏、旋律和感情色彩输出，产生各种不同的状态组合来配合水形和灯光实时变化。这也是音乐喷泉的控制不同于工业控制的主要特点。形成水形的
19、基本通路是由水泵、管道、阀门和喷头组成，针对不同水形要求有不同的控制方法。从喷泉的控制来看基本可分为四类：第一类水形，启动水泵直接向管道和喷头加压，效果是喷头的水柱在启动和停止时有一过渡的升降过程；第二类水形，需要通过变频器控制水泵转速来实现一种水柱连续升降的效果；第三类水形，在加压喷水时启动传动电机控制喷头摇摆，达到一种花型变换；第四类水形，需要在直接启动水泵向管道加压后，通过控制器快速地控制大量的电磁阀门的开闭，使喷嘴以各种方式进行点射，形成所谓“跑泉”和“跳泉”效果。2 矩阵式控制原理实际工程中将上述几种方式有机地组合起来实现多种水形变幻，再配以音乐和灯光，就可产生丰富多彩的艺术效果。实
20、际上，这一过程从计算机的控制角度来看就是将一组一维的空间变量 e=按照T 时间间隔顺序输出的过程。我们可以用一个控制矩阵Aij 来进行表述。对控制矩阵处理是整个控制程序的核心。由于硬件驱动板卡为 16 路输出，Aij的列数为16 的整数倍，目前系统主控变量设计列数最大为 n=256，行数数量不受限制。所以，控制矩阵最大可做到 m256，m 可以取任意自然数。矩阵Aij中第 i 行元素对应本喷泉工程设计中某时段T 里一个确定的控制输出点排列。T 的取值范围是 10mS1S,按 lmS 间隔可调。矩阵Aij的第 j 列的每个元素对应控制该点部件的一个时间间隔为T 的输出序列。于是Aij的每个元素
21、Aij 对应第 j 个被控部件在第 i 个时段的输出状态，Aij=1 为开启，反之为关闭。如果某行元素全为零，表明此时段整个系统无输出；某列元素全为零表明该部件在工作期间无输出(可能是备用通道) 。实际控制矩阵中，行数 m 是乐曲的播放时间和间隔T 取值之比。控制矩阵可作为数组存放于计算机内存之中。当喷泉工作时，在音乐信号的触发下，计算机将并行地按着顺序逐行取出控制向量，再以T 为时间间隔向接口输出。控制矩阵的生成可由人工在屏幕上编辑，也可采用可视化的组态软件来实现。具体的实现方法这里不作重点介绍。3.控制系统的硬件构成较大的喷泉一般均有上百个控制点，有些广场喷泉可达到数百甚至上千个被控点，所
22、以需要采用模块化的分级式控制系统来完成工程的全部控制。图 1 给出了一个典型的计算机喷泉控制系统的组成框图。为实现上述功能，系统在设计上根据不同负载类型，将大量的被控对象分为 4 类模块：(1)乐曲识别与处理模块。由模拟采集板和音源处理电路组成；(2)变频控制模块。由 DA 输出板和变频器组成；(3)开关量的直控模块。用于彩灯、水泵和传动电机等，这是数量最多的模块；(4)分级控制的跑泉模块。由工控机、开关板和跑泉器构成三级控制结构。系统第一级的上位机是本控制系统的核心。由于现场电磁干扰很大，使用环境比较恶劣，主机需要采用标准工控机。上位机的任务是实现人机交互界面，存放音乐文件，对音频信号进行读
23、人、分析，对下级的输出模块进行*作和控制整个系统的启停等功能。为完成上位机对各类功能部件的控制，机箱内配置了 AD 卡、DA 卡和开关量功率输出板，而且还要保证工控机主板上有足够的扩展能力。标准板卡配置如下：(1)AD 卡，用于音乐信号的采集和识别，采用 12 位精度和 100KHz 转换速率可满足需要。计算机对外输入音乐信号的读取只需要强度信息即可，因此在进行 AD 转换前还要加上有音乐信号的幅度包络检波电路；(2)D A 卡，用来输出模拟信号控制变频调速器，12 位的分辨率和 100KHz 的转换速率，输出控制信号幅度为 010V，一般有 816 个通道，为提高抗干扰能力采用光电隔离输出；
24、(3)开关量输出卡，选用 32 个通道的光电隔离功率输出板，驱动能力达24V、50mA ，但由于喷泉中的设备均为三相的交流供电，所以后面还要加上一级固态继电器的驱动板来驱动 220V 的交流接触器或电磁阀门。4 跑泉控制器模块由主控机直接控制的部件主要是一些变化复杂的开关量和模拟量。对于如跑泉( 又叫跳泉)的阀门和循环彩灯等花色变换比较单一、控制点数很多、但要求响应速度又很快的输出量，可采用下位机分级控制。即由主机发出控制命令送至下位分机，再由分机根据接收的命令输出不同的花色信号来驱动阀门和彩灯。大型音乐喷泉中，水幕跑泉是在近百米的管道上安装几十路到上百路的阀控喷嘴，喷泉启动时近百个阀门以几十
25、毫秒的间隔循环交替打开，形成一种气势磅礴的动感效果。而且要求跑动时间可调，花形变化及时。由此可见跑泉控制器在营造喷泉艺术效果中起到了至关重要的作用。本项目采用专门设计的，多达 256 个控制量的 EELab-型嵌入式跑泉控制器。控制器机箱与工控 19 英寸标准机柜配套，水形花色在现场可编程。连同配套的软件已形成完整的产品。并且经实践证明运行可靠，而成本却远远低于 PLC 控制器。跑泉控制器的电路框图如图 2 所示。跑泉控制器的 CPU 采用的是单片机，采用电流环光隔控制输入。系统的上位机通过四条控制线送来 16 种状态控制跑泉控制器的工作。设计这种控制方案除结构简单、响应速度快以外，另一优点是
26、对于其它简易型喷泉可以直接用拨码开关来控制，省去成本较高的主控计算机。跑泉控制器的工作原理与主控机相仿，当单片机接收到某一种控制信号后，按着设定的时间定时产生中断，然后顺序读取 FLASHROM 芯片里的喷泉花形矩阵数据，再通过地址译码分别锁存到输出口上，由外围驱动电路板通过固态继电器来控制跑泉喷头下方的电磁阀。如果工控机向单片机发送不同的控制信号，就能快速地实现各种花形切换。花形控制信号有 4 位，共计有 16 个状态，除 0FH 作为停止信号之外，其余 15 个状态分别对应 15 种花形的矩阵。存储器采用 64KB 的 FLASHROM 芯片，如果控制矩阵最大为256x256 点，恰好 4
27、KB 空间安放一种花形。单片机 P1，0P13 口用于识别 4 位控制信号但同时也得到花形矩阵的分区地址代码。从 FLASH 相应地址空间调出花形数据，再经过地址分配电路，锁存到外围驱动电路板上控制电磁阀的开闭。本控制器还具有跑泉控制情况实时监测功能，除了在前面板用 7 段数码管显示当前花形种类，另有 128 个与输出相对应的 LED 来实时显示输出状态。本工程项目设计了两组跑泉，每组跑泉要控制 115 个电磁阀。为了使控制量每次输出时间间隔从 5mS 到 05S 连续可调，这套设备具有两种改变时间间隔的方法：一是通过 FLASHROM 写入不同定时参数，由单片机的定时中断实现，二是通过设备面
28、板上的电位器手动调节。软件定时的优点是定时精确，手动调节的优点是可根据现场具体效果直接调整。本控制器的控制矩阵的输入具有在线可编程功能。在上位机用 VB 语言开发了自动生成花形数据的程序，只要给出跑泉路数和花形特征两类参数，就能自动生成 16 进制花形数据文件。然后通过串口向跑泉器主板传输已经生成的花形数据和时间间隔数据，使控制器机内的单片机可对 FLASH 芯片进行在线擦除和重新写入。5 音频信号的采集分析及模拟信号变频控制这部分是音乐喷泉的核心技术。控制喷泉的外部音频信号有多种来源，其中之一是来自音响系统的音源输出。该信号还要经过变换电路放大、滤波、限幅和检波，变成与音乐幅度的对数成比例的
29、包络检波信号送到采集卡，其幅值为 010V。模拟信号调控喷水高度的办法很多，其中最简单的是把采集到的音频信号经平滑后再转换成控制变频器的模拟输入电压，控制水泵的转速使水形跟随音乐节奏的快慢进行变化。由外部音源实现水形跟随变化的方案如图 3 所示。当然要做到水形跟随音乐旋律变化，并可靠地保证音乐起、水形起和音乐停、水形停绝不简单，而是要根据对大量乐曲音频信号的分析统计，给出一个判断依据和相应的阈值。随着近年来计算机的处理速度大幅提高，在音乐音质满足要求的前提下可以利用机内硬盘的 WAVE 文件来播放音乐，使计算机根据 WAVE 文件的数据实时识别音乐并同时控制喷泉运行。实际上在上述硬件的基础上，可以通过音频分析软件，结合一些特殊的处理方法和算法来产生更适合的控制代码。本系统上位机软件中音乐程控部分的流程图如图 4 所示，限于篇幅本文不再专门叙述。6 结束语这套计算机控制系统已经成功用于某大学校园广场的音乐喷泉，某省广播电视台演播大厅舞台喷泉项目也正在试用。结果表明：该系统的设计结构合理，安全可靠和控制精度等技术性能均能满足实际要求，而且成本低，使用简单方便，效果令人十分满意。
