（信号与信息处理专业论文）基于dmx的led舞台灯控制系统的设计.pdf

摘要 目前，我国有上万家演播厅、剧院等演出场所，其大多采用传统影视舞台照明灯具， 功率小则几百瓦，大则几千瓦，消耗的电力资源非常巨大。这对我们的节能减排政策提出 了极大的挑战。另外，传统灯具的调光方式大多为模拟调光，这种调光方法已经用了很多 年，但是如果应用到新型的l e d 灯具上，会使l e d 产生色偏，严重影响舞台的灯光艺术 效果。本文通过对l e d 特性和对灯光控制协议- d m x 5 1 2 的研究，以及对降压型直流电 源变换电路的分析，设计了一种基于d m ) ( + 协议的l e d 舞台灯控制系统，采用数字调光 的方式，无色偏的调节l e d 亮度，并实现了灯具的大容量控制和一定的智能化。论文主 要对以下几个方面展开了论述： 第一，结合l e d 发展的趋势以及舞台灯使用的现状，论文分析了采用l e d 灯具所带来 的巨大作用和灯光控制系统的国内外研究现状，并通过对传统调光系统性能的研究，分析 了调光控制系统的发展趋势。 第二，论文对l e d 的物理特性和电气特性、d m x 5 1 2 协议和降压型直流变换电源的具 体原理进行了较为深入的分析，并在此基础上提出了改进的d m x 5 1 2 协议，即d 脚协议 以及基于d m x + 协议的舞台灯控制系统的原理和整体设计方案。 第三，论文根据l e d 舞台灯控制系统的功能需求，设计了各个功能模块的硬件电路和 软件程序，并详细的论述了他们的工作原理和工作流程。 第四，论文对系统的各个功能模块进行了测试，以验证系统是否正常工作。其中，论 文给出了具体的测试方法以及测试结果，并对测试结果进行了分析，最终系统达到了预先 设计的要求。 最后，针对本文所做的工作进行了简单的总结，并对l e d 和l e d 控制系统的未来进行 开了展望。 关键词：调光；l e d 舞台灯；d x m 5 1 2 ；控制系统 t h e d e s i g n0 f al e d s t a g eh g h t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n d m x + a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t 1 1 e r ea r ea b o u tt e n so ft h o u s a n d so fs t u d i o s ，t l l e a 骶sa n do m e rv e n u e si no u r c o u n 时锄dm o s to ft h 锄u s i n g 仃a d i t i o n a ls t a g e1 i 曲t s t h ep o w e ro ft h e s el i g l l t si ss c v e r a j h l m d r e dw a t t st os e v e r a lk i l o w a t t s s om e i rc o n s 啪p t i o no fp o w e rr e s o u r c e si sv e 巧h u g e 锄d t h i s 舀v e sag r e a tc h a l l e n g et o o u re n e r g yc o n s e r v a t i o np o l i c y i i la d d i t i o n ，m o s to ft l l e t r a d i t i o n a l l i g h t su s ea n a l o gd i m m i n gm e t h o d sw h i c hh a v eb e e nu s e df o rm a n yy e a r s b u ti f u s i n gt h e s em e t h o d st ol e di i g h t s ，t h e yw i l ll e tl e do c c u rh u ee 仃o rw h i c hs 甜o u s l ya 疵c t s a n i s t i ce 虢c to fs t a g e1 i 曲t i n g t h i sp a p e rd e s i 朗al e d s t a g el i 曲t i n gc o n t r o ls y s t e i i lb a s e d0 n d m x + p r o t o c 0 1t h r o u 曲r e s e a r c h i n ga 1 1 da i l a l y z i n go nt h ef e a _ t u r e so fl e d ，d m x 5121 i 曲t i n g c o n 仃o lp r o t o c o la 1 1 db u c kc o n v e n w l l i c hu s e sd i 西t a ld i n l l l l i n gm e t l l o da n dc 锄a d j u s tl e d b r i g l l t n e s sw i t h o u to c c u n gh u ee 玎o r m e a n w h i l e ，m es y s t e n lc 锄a c h i e v eh i 曲c a p a c i t y c o n t 】do fl i g l l t sa i l di n t e l l i g e n t t h ep 印e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to fa l l ，c o m b i n e dw i t ht r a l do fl e d sd e v e l o p m e n ta n ds t a m so fs t a g el i g h t su s i n g ， t h es i 嘶f i c 锄te 仃e c tb yu s i n gl e dl i 曲t sa n dt h es t a t u so fr e s e a r c h i n go n1 i 曲t i n gc o n c r 0 1 s y s t 锄a th o m ea n da b r o a da r ea n a l y z e d a tt h es 锄et i m e ，t h et r e l l do fd i m m i n gc o n t r 0 1 s y s t 锄sd e v e l o p m e n ti sp r o p o s e dt h r o u 曲p e r f i o 衄a l l c ea n a l y s i so nt r a d i t i o n a ld i m m i n g s y s t e m s e c o n d l y i m p r o v 酣d m x 5 12p r o t o c o l ，t h a ti sd m x + p r o t o c o la n dt h ep r i n c i p l e 弛d o v e r a nd e s i g no fs t a g e1 i 曲t sc o n t r o ls y s t 锄b a s e do nd m x 十p r o t o c 0 1a r ep r o p o s e dt h r o u g l l i n d 印t h 锄a l y s i so np h y s i c a lc h a r a c t 甜s t i c sa n de l e c 埘c a lc h 撇c t 甜s t i c so fl e d ，d m x 512 p r o t o c 0 la n ds p 砌f i c n c i p l e so f b u c kd c d cc o n v e l t t l l i r d l y ，b a s e do nt h e 如n c t i o n a lr e q u i i i e m e n t so fl e ds t a g e1 i 曲t sc o n t m ls y s t 锄，p a p e r d e s i 印sh a r d w a r ec i r c u i t s 觚ds o r w a r eo fe a c h 如n c t i o nm o d u l ew h o s ew o r k i n gp r i n c i p l e 锄d p r o c e s sa r ea l s oa n a l y z e d t l l e n ，t h ep 印e rt e s t i n ge a c h 如n c l i o nm o d u l eo fs y s t e n lt ov 甜f ys y s t e mw h e t h e rc 锄w o r k n o m a l l y t h es p e c i f i ct e s tm e t h o d sa n dt e s tr e s u l t sw h i c ha r e 锄a l y z e da r e 季v e l l e v e i l t l l a l l y i l 廿1 es y s t e mr e a c h e sm er e q u i r e m e l l t st h a ta r ep r e - d e s i 朗e d f i n a l l y ，p a p e rc o n d u c t sab r i e f s l l i l 瑚a 巧向ra l lw o r ka 1 1 dl o o k st ot l l em t u r ef i ”l e d 觚d l e dc o n t r o ls y s t 锄 k e yw o r d s ：d i m m i n g ；l e ds t a g el i g h t s ；d m x 5l2 ；c o n 仃d ls y s t 锄 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 今年的上海世博会上，从开幕式上近9 0 0 0 平方米的江边显示屏，到每个晚上灯火璀 璨的各国展馆和园区夜景，大放异彩的l e d 照明开启了人类照明时代的新纪元，成为名 副其实的“未来照明之星 ，也使绿色、低碳、环保的理念更加深入人心，同时也衬托出 “城市，让生活更美好! ”的上海世博会主题。 l e d 具有体积小、耗电量少、发光效率高、使用寿命长、节能环保、安全、可靠性 强等诸多优点，以此决定了它作为传统光源最理想替代者的角色，被认为是爱迪生发明白 炽灯后最伟大的发明之一。目前，越来越多的霓虹灯和部分传统光源被l e d 所取代，l e d 的应用已经从简单的单体建筑照明扩展到更具整体性的城市景观照明，乃至舞台灯光艺术 照明。 在本质上，l e d 即为发光二极管，其发光原理为：在微观尺度上，通过让移动的电 子“掉进”量子阱，从而产生一定波长的光。由于这个过程几乎不存在热能损耗，因此相比 于传统的荧光灯、白炽灯，其发光效率要高很多。据专家分析，相对于普通灯具，它可 以节省3 0 以上的电量；它的实际使用寿命更是长达1 0 万个小时，这使得白炽灯的1 0 0 0 小时、荧光灯的6 0 0 0 小时相形见绌；它还可以与相应的智能化控制系统相结合，由用户 根据需要调节亮度，并且相应减少用电量和提升视觉效果。 长期以来，照明方面的耗电在世界各国的总发耗量中一直占据着很大的比例。我国是 世界上各类照明产品的生产、消费和出口大国，照明用电占据了全国总耗电量的约1 2 ， 并且每年都在以一定的速度增长。根据国家发展改革委员会公布的数据，目前我国现有上 万家演播厅、剧院等演出场所，其大多采用传统影视舞台照明灯具，功率小则几百瓦，大 则几千瓦，因此电力资源的消耗非常巨大。如果将这些功能性照明灯具全部改为高效节能 的l e d 灯具，仅此这一项，每年就可节约用电6 0 0 亿千瓦时，减少6 0 0 0 万吨二氧化碳排 放。与此同时，由于传统照明灯具光能的转化效率较低，大部分能量转化为热能散发出去， 使得舞台周围和整个剧场温度较高，需要长时间开启大功率的空调来降温，从而使耗电量 又成倍上升。而l e d 是冷光源，发热量低，能够极大地降低了演出场所的环境温度，大 幅减少空调机组负荷，实现连带的节能效应【2 3 】。因此全面使用和替换l e d 影视舞台照明 灯具将会对我国节能减排目标做出重要的贡献，也是我国解决电力短缺矛盾和实现可持续 浙江理r t 大学硕士学位论文 发展的一个突破口。 舞台灯控制系统是舞台照明的关键，舞台灯具的改变，而l e d 又拥有其特有的发光 特性，使一种新型的适合于控制并驱动l e d 灯的舞台灯控制系统成为了必须。控制系统 能够根据l e d 的驱动特性，使l e d 无色偏发光，同时能控制舞台灯变换出各种迷人的模 式，从而强化舞台艺术效果，给观众以更好的视觉效果睁5 1 。除此之外，l e d 舞台灯不仅 仅用于舞台艺术照明，还能用于普通照明。越来越多的欧美国家的教堂使用l e d 舞台灯 来照明，通过控制系统调节l e d 舞台灯r 、g 、b 光源的发光亮度，配上合理的l e d 透 镜，能够调节出色温不同、亮度均匀的白色灯光。 1 2 国内外研究现状 传统的灯光控制系统大多数采取模拟调光技术。模拟调光技术主要由调光台和调光器 组成，调光台用于产生模拟控制信号，调光器接受调光台的模拟控制信号，控制灯具两端 的电压差，实现灯具发光亮度的调整。这种控制方式已经使用了很多年，但是存在很多不 足，特别用于控制l e d 时，更加明显。当l e d 的平均驱动电流改变时，l e d 的发光特 性会随之偏移。对于单色l e d 来说，其主波长会随之改变；对于白光l e d 来说，其相关 色温( c c t ) 会随之改变。为了保证只以某些特定的驱动电流驱动l e d 来产生光波长或 c c t ，l e d 的生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流。因此传统的 模拟调节容易使l e d 产生色偏，从而会极大的影响舞台的艺术效果。而基于p w m 技术 的数字调光技术能够保证l e d 发出设计者需要的颜色，在r g b 应用场合中，这种精细控 制特别重要，用以混合不同颜色的光来产生各色光。另外，模拟信号的抗干扰能力较差， 且易失真，从而使调光曲线和调光的一致性遭到破坏；模拟调光系统通常需要用到运算放 大器，受到电源波动、电子元件参数不一致和温度漂移等影响，系统稳定性易降低。随着 数字技术的发展，高集成度、小体积、高精度、强抗干扰能力的数字调光系统，已经成为 灯光控制系统发展的趋判6 】。灯光控制系统主要朝以下几个方面发展： ( 1 ) 数字化：数字技术是一门随着计算机技术和超大规模集成电路技术的发展而新 兴的电子技术。现今，数字调光技术将计算机技术、大规模集成电路技术、数据库技术、 智能调光技术及可靠性技术和各类的抗干扰措施融为一体，具有可靠性及抗干扰能力强、 功能多等特点。用数字调光技术取代模拟调光技术已经成为灯光控制技术发展的趋势。 ( 2 ) 网络化：网络化可以实现网络上的资源共享、集中管理及分散控制等。分控台 可以调用存在于主控制台上的各类信息资源库中的有关资源，实现局部控制。总控台借助 2 浙江理工大学硕士学位论文 网络来控制分布在各个不同地方的分控。当其中有一台分控发生故障时，总控台可以直接 接管或者指定另外一台分控接管其任务。 ( 3 ) 智能化：控制系统借助各类传感器来收集相关信息，建立数字模型和数据库， 并动用各类先进算法( 如神经网络、专家系统等) 进行数据处理，大大提高了数据兼容性 和环境适应性。智能化代表了灯光控制系统的发展方向f 6 】。 当前多个舞台灯的控制，主要基于d m x 5 1 2 协议。d m x 5 1 2 的简单性、可靠性以及 灵活性使其迅速成为资金允许情况下选择的协议。但由于其发送数据最多只有5 1 2 帧，控 制容量比较有限，因此本文在d m x 5 1 2 协议的基础上，对其进行了一定的改进，使其的 传输速度更快，控制点数量更多。 1 3 本文的主要研究工作 本文针对l e d 舞台灯控制系统的设计，主要进行以下工作： 利用功能更加强大的a v r 单片机，设计具有一定智能化的l e d 舞台灯控制系统。该 系统能够无色偏的驱动l e d 舞台灯发光，并且通过p w m 调制，使l e d 舞台灯能够变换 出各种模式，如渐变、跳变、追踪、流水等。该舞台灯既能作为独立的模组使用，又能跟 其他舞台灯具联机通信。通信中，既能作为上位机，控制其他舞台灯具的变化；又能作为 下位机，接受上位机的控制，在功能上集总控、分控于一体，功能更加强大；另外，该系 统的声音传感器还能实时采集外部音频数据，智能控制l e d 舞台灯变换效果，使灯光效 果的变换与舞台场景相匹配，给观众以身临其境的感觉。具体设计内容如下： ( 1 ) 研究d m x 5 1 2 协议，包括协议的数据格式、电气特性以及协议的实现方法。在 d m x 5 1 2 协议的基础上，不改变原有协议的电气特性和帧格式，大幅度提高通信波特率， 发送几倍于d m x 5 1 2 协议的数据帧，建立起更加先进的通信协议一d m x + 协议。 ( 2 ) 设计基于d m x + 协议的l e d 舞台灯控制系统的硬件电路，主要包括以下几个方 面： 单片机主控制电路：主要由单片机以及相应的电源电路、按键显示电路、，d 转换电 路组成。 声控电路：通过声音传感器实时监测外界音频信号变化，并有效获取相应数据，按照 一定算法处理后，使舞台灯自适应于环境，实现舞台灯的智能化。 l e d 恒流驱动电路：l e d 驱动电路的性能优劣直接关系到整个系统的可靠性。本文 设计了一款b u c k 型d c d c 恒流驱动电路，无色差、稳定的驱动大功率l e d 光源，并 3 浙江理t 大学硕士学位论文 具有数字调光功能。其输入电压为2 4 v d c ，输出电流约7 0 0 m a ，输出功率约1 2 w 。设计 驱动电路设计的关键在于电子元件参数的设计，这直接影响到系统的效率、发热以至影响 整个系统的稳定性，因此设计合理的电子元器件参数至关重要。 d m x 5 1 2 通信接口电路：设计符合d m x 5 1 2 电气特性的通信电路，并尽量提高通信 的可靠性，增强抗干扰能力，降低误码率，实现对多个舞台控制系统的有效控制。 ( 3 ) 设计控制系统的软件程序，主要包括以下几个方面： d m x + 协议的软件实现：d m x + 协议的软件程序包括发送程序和接收程序。利用单片 机的串行通信接口，设置符合d m x + 协议的帧格式和通信波特率，实现d m x + 协议数据 的接收与发送。 p w m 调光技术的实现：产生一定频率不同占空比的p w m 信号，控制l e d 恒流驱动 电路，调节r 、g 、b 三通道l e d 的灰度级。 各种变化模式的实现：设计l e d 的各种变化模式，如静态选色、七彩跳变、七彩渐 变、全彩渐变、频闪、流水、追逐等。 按键显示程序的设计：主要用于切换控制系统的工作状态，实现各种变化模式的转换， 并用数码管同步显示当前系统状态，实现人机交互。 4 浙江理工大学硕士学位论文 第二章d m x 5 1 2 协议研究 d m x 5 1 2 协议是u s i ，丌制定的数字多路复用协议，其初衷是为了使舞台、剧场等地 所用的众多调光器和控制器能够相互兼容。虽然它不是一个行业或国家标准，但由于其简 单性和实用性，自出台以来，得到了世界各地生产商和使用者普遍承认。 2 1d m x 5 1 2 通信协议简史 2 0 世纪8 0 年代初，随着计算机技术的发展，模拟调光技术逐渐被数字调光技术所取 代，并伴随着出现了多种数字传送形式的通信协议，如d 5 4 、a 、，a b 、c m x 、p m x 和e m x 等。这些通信协议，虽然大多数都利用标准物理接口，如r s 2 3 2 和r s 4 2 2 ，但由于不同 厂商之间存在一定的差别而不能通用。u s l l v r 在1 9 8 6 年制定了专门用于控制台与调光器 之间数据通信的标准d m x 5 1 2 ( 1 9 8 7 ) ，以便使各厂商生产的调光台和调光器能够相互通 用，协议很快得到了世界各国灯光设备厂商的积极响应。目前正在执行的版本为 d m x 5 1 2 1 9 9 0 ，d m x 5 1 2 1 9 9 0 协议盼全称是d m x 5 1 2 1 9 9 0d i 百t a ld a t at r 锄s m i s s i o n s t a n d a r df o rd i m m e r a n dc o n 仰l l e r s ( 调光器与控制台用数据传输标准) ，由u s i t t 在1 9 9 0 年时，对d m x 5 1 2 协议修改和补充而成。此后，著名的美国娱乐业服务与技术协会e s t a ( e n t e n a i l l l t l e n ts e r v i c e sa n dt e c l l i l 0 1 0 9 y a s s o c i a l i o n ，) 又加入了d m x 5 1 2 协议的修订工作， 2 0 0 2 年1 0 月2 5 日，e s l a 发布了修订后的d m x 5 1 2 标准草案，简称为d m x 5 1 2 a 。 新标准在保护、安全、兼容性等方面作了较多的修改，允许实现双向数据传输，新标准完 全向下兼容，即按d m x 5 1 2 a 标准生产的设备完全可在d m x 5 1 2 1 9 9 0 协议下工作【7 1 0 】。 2 2d m x 5 1 2 数据格式 d m x 5 1 2 协议以数据包的形式，进行数据的发送，波特率为2 5 0 k b i 洮，即每b i t 宽度 为4 u s 。一个完整的d m x 5 1 2 数据包包括一个b r e a l ( 信号、一个m a r ka r e rb r e 酞信号、 一帧s t a nc o d e 信号、5 1 2 个数据帧和一个m t b p 信号，如图2 1 所示。 b r e a l ( 信号意为中断位，是一个宽度不小于两个数据帧，即至少8 8 b i t 的低电平信号。 它对应于一次d m x 5 1 2 数据发送结束后的复位阶段。 m a 伙a n e r b r e a k 信号是一个宽度不小于4 b i t 的高电平信号。由于d m x 5 1 2 中，每个 数据帧的第一位丌始位均为低电平，而b r e a k 信号也为低电平，因此必须有一个高电平信 号实现b r e a l 【信号和起始位的分离。另外，m a r ka f l e rb r e a k 信号也标志着是新一轮 s 浙江理t 大学硕+ 学位论文 d m x 5 1 2 信号发送的开始。 m t b p 信号高电平有效，标志着一轮d m x 5 1 2 信号发送的结束，是下一个信息包发 送前的空闲信号。 s t a nc o d e 信号是d m x 5 1 2 信号的第0 帧，即保留帧，其数据格式跟后面的5 1 2 帧数 据完全一样，也可理解为这是一个不存在的通道。 把每一个d m x 5 1 2 数据帧称为一个控制通道，用于控制灯具设备的一个或多个功能。 每个d m x 5 1 2 数据帧有1 1 b i t 构成，分别为一个起始位、8 个数据位和2 个停止位。其中， 8 个数据位从0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 l l l l l l ，共2 5 6 级，当用于控制灯具亮度时，可产生2 5 6 个灰 度级。 舶t b p m b b l l e k s c v u 谚t u。u- 、，、 、，、， i 套5 1 2 第0 帧第一帧第二帧 图2 1d m x 5 1 2 信息包结构 d m x 5 1 2 各信号的持续时间如表2 1 所示： 表2 1d m x 5 1 2 信号时间表 由表可见，d m x 5 1 2 总控台发送一个d m x 5 1 2 数据包，最多可以控制5 1 2 个受控通 道。发送一个完整的d m x 5 1 2 数据包的时间约为2 3 m s ，即1 秒钟可以对5 1 2 个受控通道 控制4 4 次，即刷新频率为4 4 h z 。在实际应用中，当受控通道少于5 1 2 个时，总控台可 以减少数据帧的数量，即与实际受控通道数量相匹配，从而提高刷新频率j 引。 6 浙江理丁大学硕士学位论文 2 3d m x 5 1 2 电气特性 d m x 5 1 2 是围绕工业标准e i a r s 一4 8 5 接口设计的。r s 4 8 5 标准是一种平衡传输方式 的串口接口标准，它和r s 4 2 2 a 兼容，并且扩展了r s 4 2 2 的功能。所谓平衡方式，是指 双端发送双端接收，所以传输信号要用两条线a a 和b b 7 ，发送端和接收端分别采用平衡器 发送器( 驱动器) 和差动接收器。这个标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输 线之间的电位差值来决定，当“线的电平比b b 7 线的电平高于2 0 0 m v 时表示逻辑“1 一： 当a a 饯的电平比b b 7 线的电平低于2 0 0 m v 时表示逻辑“o ”。 r s 4 8 5 标准允许在电路中有多个发送器，因此，它是一种多发送器的标准。r s 4 8 5 允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是驱动发送器、接收器或收发器的组合 单元。r s 4 8 5 的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都匹配终端电阻，其发送器、 接收器、组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接 收器共用同一传输线的多点应用【1 5 】。 r s 4 8 5 的标准特点主要有：由于采用差动发送接收，因此共模抑制比高，抗干扰能 力强；传输速率高，它允许的最大传输速率可达1 0 m s ( 传送1 5 米) ；传输信号的摆幅 小( 2 0 0 m v ) ；传输距离远，采用双绞线，在不用m o d e m 的情况下，当1 0 0 k b s 的传输 速率时，可传送1 2 h ，若传输速率下降，可传更远；能实现多点对多点的通信，r s 4 8 5 允许平衡电缆上连接3 2 个发送器接收器对。 2 4d m x 5 1 2 起始地址码 基于d m x 5 1 2 协议的受控灯具设备都需要被赋予一个地址码，即本机地址。每个受 控灯具设备只获取属于本机地址范围内的数据帧，并作出反应。 本机地址是一个灯具设备控制通道的起始地址，当d m x 5 1 2 数据帧的序号与灯具设 备的本机地址相同时，设备开始获取数据，即解码；反之，灯具设备不对d m x 5 1 2 信号 作出反应。 假设用d m x 5 1 2 总控控制若干台基于d m x 5 1 2 协议的舞台灯，若每个舞台灯的控制 通道数量均为3 ，则第一台舞台灯的地址为l ，获取第一帧、第二帧、第三帧数据；第二 台舞台灯的地址为4 ，获取第四帧、第五帧、第六帧数据，以此类推。最后一台舞台灯的 本机地址和受控通道数之和不能超过5 1 2 。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 5d m x 5 1 2 协议的相关设备与工艺 在d m x 5 1 2 标准协议下，可以用一对信号线传输5 1 2 路灯光控制信号数据帧，另外 还有一根额外的电线作为参考“信号地 。d m x 的两根信号线分别成为“d a t a ”和 d a t a + ”，采用差分传输方式。 在使用优质信号线的前提下，d m x 5 1 2 能达到的有效传输距离约为2 5 0 m 。合格的 d m x 传输信号线要求导体截面积约o 3 4 删铲，阻抗约1 2 0q ，有金属网状屏蔽层。因此 一般选用两对绞线加屏蔽线的信号线，考虑到某些设备要双向传输信号或供电，剩下的一 对绞线也可作备用之需。d m x 传输线路应远离电力电缆线，以防止电磁干扰，尤其是调 光器的强电电缆与d m x 信号电缆应该敷设在不同的线管或线槽中。 d m x 5 1 2 协议要求使用5 芯插接件，但是在实际中应用中，一般只用其中3 芯。3 芯 插接件的1 引脚接地，2 引脚为d a t a 一，3 引脚为d a t a + 。5 芯插接件剩余的2 芯一般 用作备用，也有的厂家用4 芯和5 芯插接件来传输失效信息和反馈灯具目前的状态。 各种接收d m x 信号的设备都有一个d m x 信号的输入端口和一个用于并联下一接收 器的输出端口，并具有起始地址的设置装置，如二进制拨码开关、十进制旋转开关、带有 显示的数字按钮及起始回路设置处理部分。各个接收器之间备的连接为菊花链形式。一个 d m x 5 1 2 输出端口，理论上可以控制5 1 2 个通道，但由于受到传输器件的限制，一般最 多只能驱动3 2 个接收设备。若实际中，超过了3 2 个接收设备，则需使用d m x 信号放大 器。正如前所述，在使用标准线缆的情况下，d m x 信号的最大传输距离约为2 5 0 m ，若 想传输更远，需要加入信号放大器。在低质量的传输线缆下，传输距离会大大缩短。因此 在实际应用中，除了使用质量较好的线缆外，传输距离在2 0 0 m 左右应加入信号放大器， 以便保证系统能可靠地工作。另外，由于d m x 一5 1 2 的传输速率高达2 5 0 k b i t s ，根据电子 理论，应在最后一个接收设备的信号输出端接入一个阻抗约为1 2 0 q 、功率不小于0 2 5 w 的终端器，以消除电波在传输中的反射，达到可靠传输数据的目的。 在d m x 信号发生、传输、分配处理、转换和实施控制的过程中，需有各种设备的配 合，这些设备统称为d m x 相关设备。下面介绍几种常用的d m x 相关设备。 ( 1 ) d m x 发送器：d m x 发送器也称为总控，在一个d m x 系统中至少应包含一个 d m x 发送器，用于产生d m x 控制信号。发送器通常包含在调光台、电脑灯控制台、换 色器控制里面。 8 浙江理t 大学硕七学位论文 ( 2 ) d m x 接收器：任何一个可以被d m x 信号有效控制的设备( 如调光器、电脑灯、 换色器等) 都包含一个d m x 接收器，即d m x 5 1 2 解码器，用于接收d m x 信号，并做出 相应反应。 每个接收器需要设定d m x 信号的起始地址，以便从发送器中获取只属于本机地址的 数据。很多厂家使用的开关选用二进制编码的十进制数信息，即b c d 编码。大部分的接 收器都只有1 个d m x 接口，个别设备为了性能上的需要，具有2 个或以上的d m x 接口。 最典型的是双d m x 输入调光器，可同时受两个d m x 调光台控制，回路输出遵从“大者 优先原则。 ( 3 ) d m x 终端连接器：d m x 系统传输终端需连接一个电阻器，用于吸收d m x 反 射信号。反射信号可以抵消和破坏输入的d m x 信号的强度，严重时会导致d m x 网络不 能正常运行。在传输数据线末端采用一个d m x 终端连接器，可以使用网络无限延长。在 传输距离短、接收设备少的情况下，不接入d m x 终端连接器有时也能正常工作。 电阻的阻值一般在9 0 1 5 0 q 之间，最常用的阻值为1 2 0 q 。d m x 终端连接器应用 在每根数据线的末端，可以是最后一个电脑上或者硅柜电缆的末端。 ( 4 ) 信号分配放大器：d m x 调光网络使用信号分配放大器( d a ) 的目的是可以发 送多路不同的d m x 信号。 在d m x 信号连接中，当线路超过3 0 0 m ( 放宽一些到5 0 0 m ) 或接收设备超过3 2 个时， 需要有中继放大器来放大信号。各厂商不同功能的分配放大器一般都具备光电隔离和放大 功能，各路信号完全分离，如果一路或者“一个区域 的d m x 调光网络出现问题时，不 会影响到其他设备的正常使用。例如：转发器( r 印e a t e r ) ，又称为缓冲放大器，起隔离 和提高d m x 信号电平作用；分路放大器( s p l i t t e r ) ，起放大和分路作用，可向不同方向发 送多路的d m x 信号，也称为分配放大器( d i s t 曲u t i o n 锄p l i 矗e r s 或b 0 0 s t 哪。有些放大 器还有指示显示d m x 信号是否存在，放大器的每路输出是否都正常。 ( 5 ) d m x 信号合并设备：d m x 信号合并设备又称“二合一 设备。它可以将两个 不同的d m x 信号“合并”在一起形成一种合成的d m x 信号。“二合一 设备的d m x 信号输出遵守“大者优先原则，当两个以上调光台需连接到d m x 网络时，例如主调光 台和一个备份调光台连接起来，形成一种合成信号控制调光器和其他d m x 设备时，就需 要用到“二合一”设备。“二合一设备实际上是一台高速的单片计算机，能够高速处理 两个5 1 2 光路d m x 数据组。“二合一 设备通常和信号分配放大器一起放在中央配线箱 9 浙汀理i ：人学硕十学位论文 罩面。一般的“二合一”设备只处理一组“二合一”信号，近期有些厂家为了适应日益j 7 大的演出规模，推出了2 组、4 组、6 组和8 组“二合”设备。 协议转换器：在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代早期，人们普遍应用d m x 一5 l2 标准之自，j ， 国外很多尘，靛厂家直乍产着带有各自协议的产品。这些j ：品也有羽5 分应用到我罔的演播 室。有些用户想要保留这些设备，然而又希望这些旧的设备能够连接新的d m x 设备。为了 满足这些要求，国外的止与厂家乍产出各种协议转换器。协议转换器可以接收多个协议，并 将它们转换成为d m x 协议或杵接收d m x 然后转换为其他的协议。通常需要转换的协议有 c ( ) 1 0 r l r a n 公司的c m x 、a d b 公州的s 2 0 和s t r a n d 公司的d 5 4 等协议1 “17 l 。 2 6d m x 5 1 2 系统连接 d m x 5 1 2 系统连接如图2 2 所示。 ( 铡四j 一卜f 一、- | l 2 7d m x + 通信协议 一。s 商最拿) 甚鼍，盖；0 1 ( ，0 _ 目- _ 卜f m 。一l 2 一、，- 靳 、 2 2 婴生塑坚i m 褊辫 叠曼i一颦一n ，t 叶m ， 一鼍誓曹一盘_ 髋一一口 一十 1 ”_ 辘“- “，。= _ 图2 2i ) m x 5 1 2 系统连接图 由于d m x 5 1 2 协议在灯具控制容量卜存在彳i 足，闪此在一定程度l i 制约了景观照明乃 罕舞台照明的发展。为了改进d m x 5 1 2 协议控制灯具数量较少( 对_ 】ir g b 的彩灯，最多能 控制l7 ( ) 个) ，并且传输速度较低( 2 5 ( ) k b it s ) 的缺，_ ，使控制系统史加适合丁大规模 的景观或舞台控制，本文提出了d 、4 x + 通讯协议。d m xr 通讯协议，以d m x 5 1 2 为基础， 相容，二d m x 5 1 2 ，f 日传输速度更快、控制点数更多。 d m x + 仂、议中，数掘m 样以数扼包的形式，通过异步通信方式进行传输。每个数据包包 含若干数据帧，每个数据帧包括1 个起始位、8 个数掘f 秒和2 个停l i ：1 涉。i ) m x + 协议要求数 抛的传输速度为1 m b i t s ，为d m x 5 1 2 协议传输速度的4 倍，办即每f 讧的传输速度为1 u s ， 1 0 浙江理工人学硕士学位论文 每帧数据传输时间为1 1 u s 。d m x + 传输协议同埠连接点数可达3 0 7 2 通道，为传统d m x 5 1 2 六 倍的传输量，每通道数据与相应地址的控制支路相对应。每个数据包以不小于2 2 u s 的低 电平信号为起始信号，即“b r e a k ”信号，用于区别出数据包的第一帧数据；紧跟着“b r e a k 信号的是不小于2 u s 的高电平信号一“m a b ( m a r ka f t e rb r e a k ) ；接着为数据帧， 最多达3 0 7 2 帧。同d m x 5 1 2 协议一样，第一帧数据为保留帧，8 位数据全为o 。 浙江理工大学硕士学位论文 第三章系统硬件结构设计 本文采用筒r l e g a - 1 6 8 单片机实现单个l e d 舞台灯控制系统，本章将重点介绍系统 的硬件设计。 3 1 系统的控制方案设计 d m x + 协议是针对d m x 5 1 2 协议的改进，它保留着d m x 5 1 2 协议的优势。整个舞台 照明系统由d m x + 主机，多个l e d 舞台灯控制系统以及相应的l e d 灯具构成。总体框 图如图3 1 所示。 图3 1 系统整体框图 d m x | + 总控通过d m x + 协议与单个节点进行通信，向每个节点发送d m x + 亮度信号， 节点根据d m x + 协议接收的数据，输出对应占空比的p w m 信号，调制各色l e d ，使其 呈现各种变化模式，从而实现对整个舞台照明系统的控制。d m x + 总控可以是专用的 d m x + 总控制器，也可以选择本文中的其中一个舞台灯控制系统作为总控制器。 在d m x + 系统中，发送的数据帧多达3 0 7 2 ，对于r 、g 、b 三通道灯具，最多控制容 量为1 0 2 4 ，对于单色光的灯具，控制容量更是多达3 0 7 2 。因此可以看出，d m x + 协议有 效改善了d m x 5 1 2 协议控制容量不足的缺点，能够满足大规模舞台灯光控制或其他景观 控制的需求。 3 2 系统的硬件结构设计 根据l e d 舞台照明系统的原理和需求，本文要实现单个l e d 舞台灯控制系统的设计， 即节点的设计，系统硬件结构图如图3 2 所示。本文以a v i t 单片机为平台，主要实现d m x + 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 协议解析，l e d 驱动控制，智能声控以及人机交互功能。系统通过对d m x + 接口的控制， 可以实现数据的收与发，从而使系统既能作为上位机使用，又能作为下位机使用，集 d m x + 总控、分控于一体，功能上更加完备。控制系统的主要功能模块为：单片机主控制 模块、电源模块、d m ) ( 5 1 2 通信模块、大功率l e d 恒流驱动模块、声控模块、按键显示 模块。 3 3 系统主要功能模块设计 3 3 1a t m e g a - 1 6 8 芯片简介 图3 2l e d 舞台灯控制系统硬件结构图 随着单片机及外围器件多样化、全方位的发展，使在硬件上寻求最大限度的系统集成， 以减少外围器件数量，成为实现系统目标的主要途径，也是系统设计的关键所在。在系统 硬件平台中，选用a v r 单片机系列中的a t m e g a 1 6 8 型单片机。a 1 r m e g a 1 6 8 是基于a v r 增强型r i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期 浙江理工人学硕士学位论文 指令执行时间，a 1 1 m e g a 1 6 8 的数据吞吐率高达m i p s m h z ，从而可以缓减系统在功耗和 处理速度之间的矛盾。 a 、爪内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻 辑单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的c i s c 微控制器最高至1 0 倍的数据吞吐 率。 a 1 h e g a 1 6 8 有如下特点： 1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有在编程过程中还可以读的能力，即r ，5 1 2 字 节e e p r o m ，1 k 字节s r a m 。 2 3 个通用i o 口线，3 2 个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器计数 器( t c ) ，片内外中断，可编程串行u s a i h ，面向字节的两线串行接口，一个s p i 串行端 口，一个6 路1 0 位a d c ( t q f p 与m l f 封装的器件具有8 路1 0 位a d c ) ，具有片内振 荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择的省电模式。 空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、u s a i 玎、两线串行接口、s p i 端口以及 中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外 都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维 持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运行，而异步定时器和a d c 继续工作，以减少a d c 转换时的开关噪声；s t a l l d b y 模式时振荡器工作而其他部分睡h 民，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。 a 1 h e g a 1 6 8 是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内i s pf l a s h 可以通 过s p l 接口、通用编程器，或引导程序进行多次编程。引导程序可以使用任意接口将应用 程序来下载到应用f l a s h 存储区。在更新应用f l a s h 存储区时引导程序区的代码继续运行， 从而实现了f l a s h 的r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f 1 a s h 集成在 一个芯片内，a t m e g a 1 6 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案陋1 9 1 。 3 3 2 系统电源模块的设计 控制系统一般需要一个稳定的工作电压才能可靠工作，线性稳压器件( 如