【优秀毕业论文】基于DMX512协议的灯光解码控制系统设计.pdf

硕士专业学位论文 论文题目 基于dmx512协议的灯光解码控制系统设计 研 究 生 姓 名 陈贤瑜 指导教师姓名 陈小平 专 业 名 称 电子与通信工程 研 究 方 向 嵌入式系统 论文提交日期 2012 年 10 月 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 中文摘要 i 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 中文摘要 科技的快速发展对灯光控制系统提出了越来越高的要求 同时也由于科技尤其是 计算机应用技术及自动化控制的发展 为灯光控制系统的发展创造了十分有利的前提 条件 传统模拟调光技术中的解码控制电路采用了大量运放 cmos 数字集成块等分 立元件 所以出故障率随着使用时间的推移而逐渐增大 同时还存在着抗干扰能力差 精度不高以及控制信号不便于储存等缺点 不能满足实际需要 已经逐渐淘汰 被全 数字调光技术所替代 全数字调光技术是随着计算机应用技术与超大规模集成电路的 发展而发展起来的 它将数据库技术 智能控制技术和网络技术融为一体 与传统的 模拟调光技术相比 全数字调光技术具有抗干扰能力强 信号便于储存等一系列优点 同时随着人们生活质量及审美观念的提高 欣赏电视节目的要求越来越高 电视 台演播厅作为访谈类 新闻类节目的主要制作场所 里面的灯光要求也由原来的照明 作用提升为营造艺术 智慧化的光环境 本文是利用 stc90c52rc 单片机结合 dmx512 数字协议 脉冲宽度调制技术 通过进行信号转换 过零点检测 复位电路 显示电路等软硬件设计对电视台演播室 灯光控制系统进行技术改造 经过改造后的演播室灯光解码控制系统能够对包括电脑 灯 聚光灯 筒子灯在内的所有灯具实现数字控制 同时实现就地控制 场景控制 区域控制 遥控控制等功能 整个系统的 ic 数量及元器件总数将减少到原来的十分 之一 极大得提高系统的集成度和稳定性 本论文的主要工作 1 实现灯光控制系统的软硬件设计 包括 pc 与单片机之间的通信 单片机 与单片机之间的通信 以及单片机对步进电机的控制 2 将控制系统分成若干相对独立的功能模块 既保证控制系统的精度要求 又要便于系统调试和系统功能的扩展 3 对系统进行控制精度分析 并研究提高系统控制精度的方法 关键词 关键词 dmx512 stc90c52rc 单片机 脉冲宽度调制 pwm 通信 作作 者 者 陈贤瑜 指导教师 指导教师 陈小平 abstract decoding control system design based on dmx512 ii decoding control system design based on dmx512 abstract the rapid development of science and technology required more demands on the lighting control system at the same time there is a good preconditions to the development of lighting control system due to technology especially the development of computer application technology and automation control the decoding control circuit in the traditional analog light controlled technology with a large number of the op amp such as cmos digital manifold discrete components so the failure rate is gradually increased with the use of time meanwhile there are many shortcomings like poor anti interference ability non high accuracy and the difficult control signal etc now it is replaced by all digital dimming technology the latter make a good integration of database technology intelligent control technology and network technology compared with traditional analog dimming technology digital dimming technology with anti interference ability signal easy to store a series of advantages the demands of the lighting in television studio is changed as a major producer of news programs place due to the people s good taste of tv programs with the improvement of people s quality life and aesthetic ideas the lighting requirements is upgrade d from the original lighting to the art and wisdom of the light environment created in this article we point out the technical transformation of television studio lighting control system by way of signal conversion zero crossing detection reset circuit display circuit such as hardware and software design with digital agreement of dmx512 and stc90c52rc scm stc90c52rc microcontroller pwm communication written by xianyu chen supervised by xiaoping chen 目 录 1 引言 1 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 2 演播室灯光控制的研究现状 1 1 3 本课题主要研究内容 3 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 4 2 1 dmx512 协议 4 2 1 1 dmx512 数字信号的概念 4 2 1 2 dmx512 信号的物理特性 4 2 1 3 dmx512 信号传输 数据包 特性 6 2 2 d54 模拟灯光控制协议 8 2 3 脉冲宽度调制 pwm 技术 8 2 3 1 脉冲宽度调制 pwm 技术简介 8 2 3 2 脉冲宽度调制 pwm 具体过程 9 2 3 3 脉冲宽度调制 pwm 技术优点 10 2 4 相关硬件的的功能特性 10 2 4 1 at89c52 的功能特性 10 2 4 2 stc90c52rc 的功能特性 13 2 4 3 sn75176bp 的功能特性 14 3 灯光解码控制系统方案设计 16 3 1 演播室灯光解码控制系统设计方案论证 16 3 2 演播室灯光解码控制系统总设计框图 16 4 灯光解码控制系统硬件设计 19 4 1 电源及信号转换 过零点检测部分设计 19 4 2 信号处理部分设计 21 4 2 1 接口电路的设计 23 4 2 2 信号的传输与设备的连接 23 4 2 3 dmx 设备之间的连接 24 4 2 4 控制台及灯具的配接 地址码的设定 25 4 2 5 复位电路设计 26 4 3 显示电路设计 27 5 灯光解码控制系统软件设计 30 5 1 信号处理流程图 30 5 2 控制步进电机的软件设计 31 6 系统总结与分析 33 参考文献 35 攻读学位期间公开发表的论文 37 附录一 系统程序代码 38 附录二 演播室灯光解码控制实物图片及效果展示 43 附录三 dmx 解码程序 49 致 谢 61 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 1 引言 1 1 引言 1 1 课题研究的背景和意义 演播室不仅要满足制作高清新闻类电视节目需求 同时还要能够符合访谈等不同 种类电视节目拍摄和播出时的灯光需求 演播室对灯光系统条件要求灯光质量要高 显色性要好 在性能安全可靠同时又要有各种不同场景 对灯具的条件要求能调光 在 控制功能上条件要求能够就地控制 场景控制 区域控制 遥控控制等功能 以方便 在进行不同种类节目时能灵活方便改变灯光状况 所以演播室在灯光控制系统设计方 案上既要求能够达到足够的运用条件 还要具有先进性 稳定性与操作方法方便性等 特点 而如果使用传统控制方法解决上述方案所要达到的功能会非常复杂且难以实 施 而采用智能灯光控制系统则能很方便达到上述条件 解决灯光控制智能化问题 并 满足够演播室在不同场合下运用不同场景的灯光需求 因此 为保证演播室能更好地提供各种场合的演播所需灯光条件 提高视觉效果 质量 将演播室灯光控制系统进行智能灯光控制 以便在不同的环境下都能达到最好 的效果有着十分重要的意义 1 2 演播室灯光控制的研究现状 回顾 演 播 室 灯 光 控 制 技 术 的 发 展 历 程 大 体 可 分 为 三 个 阶 段 原 始 控 制 技 术 阶 段 模 拟 控 制 技 术 阶 段 数 字 化 技 术 控 制 阶 段 1 早期是原始控制技术阶段 演播室灯光的操控十分的繁琐 整个过程 在演播室 的周围布满了各种各样 大小不一的手动控制开关 每一个灯的每一个线路需要一个 手动控制开关 所以周围布满了像蜘蛛网一样的灯线 不管设计还是安装和控制都很 麻烦 由于开关的原因 每一个灯不是开就是关这有这两种状态 只能起到简单的照 明作用 不能调光 更不可能达到追求艺术效果的境界 而操控这些灯的工作人员只 是简单的开关这些灯已经是疲于奔命 根本无法保证演播室灯光的艺术效果 然后 随着科学技术的不断进步 特别是电子技术和半导体技术的不断进步 将这些先进的 技术应用到演播室灯光控制中 能够做到简单的调光 此时使用的是大功率的电位 计 但和人们想象中的演播室艺术效果还相距甚远 如果要求完成的灯光控制范围 1 引言 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 更大一点就更不可能了 慢慢的 随着自动控制技术 电子产品技术的不断推陈出新 终于产生了硅箱 把可控硅技术应用到调光器中 这标 志 着 模 拟 控 制 技 术 阶 段 的 到 来 这种技术就是利用电位器输出的 0 10v 的模拟信号 模拟调光台 控制可控 硅的导通角 输出不同功率来调节灯的亮度 它可 以 使 每 一 个 灯 都 具 有 不 同 的 亮 度 2 这 种 模 拟 调 光 的 技 术 到 现 在 还 在 一 些 乡 镇 电 视 台 的 演 播 厅 中 使 用 总 之 模 拟 调 光 技 术 是 今 天 灯 光 技 术 的 基 础 也 为 更 多 更 丰 富 多 彩 的 灯 光 艺 术 设 计 指 明 了 方 向 不 过 模 拟 调 光 技 术 中 一 个 电 位 器 推 子 只 能 对 应 着 一 个 调 光 的 回 路 同 时 也 需 要 连 接 一 条 灯 线 3 我 们 可 以 推 测 一 下 如 果 一 个 演 播 室 需 要 点 亮 1 0 0 0 盏 灯 就 要 控 制 1 0 0 0 个 调 光 回 路 就 要 有 一 台 具 有 1 0 0 0 个 电 位 器 推 子 的 调 光 台 同 时 还 需 要 连 接 1 0 0 0 条 的 信 号 控 制 线 这 样 一 份 浩 大 的 工 作 任 务 基 本 难 以 实 现 要 是 能 实 现 调 光 师 也 难 于 操 作 随着科技尤其是计算机应用技术及自动化控制的发展 传统的模拟调光技术中的 采用了大量运放 cmos 数字集成块等分立元件 所以出故障率很大 同时还存在着 抗干扰能力差 精度不高以及控制信号不便于储存等缺点 已经不能满足实际需要 而逐渐淘汰 同时加上电视行业的高速发展 要求更智能化 更自动化 更易操作的 灯光控制系统的产生 终于 在 80 年代后 随着计算机数字化技术的应用和普及 推动灯光控制技术进入了数字化技术控制的阶段 即 d m x 5 1 2 数 字 信 号 控 制 技 术 d m x 5 1 2 数 字 信 号 控 制 技 术 就 是 在 这 样 的 背 景 下 产 生 的 4 dm x 5 1 2 数 字 信 号 控 制 技 术 仍 然 采 用 可 控 硅 来 实 现 灯 光 控 制 但 是 与 模 拟 控 制 技 术 相 比 较 它 采 用 的 是 计 算 机 控 制 台 这 样 做 的 好 处 是 只 用 一 条 信 号 线 就 可 以 同 时 输 出 多 路 串 行 的 d m x 5 1 2 数 字 信 号 通 过 计 算 机 系 统 来 控 制 整 个 灯 光 控 制 系 统 这 样 就 可 以 任 意 的 设 置 推 杆 电位器 推子 和调光台之间的对应关系 而不是和以前一样 一个推杆只对应着一个调光回 路 只能控制一个灯的亮度 从而方便的通过推杆和按键可以随意调整调光台和回路 之间的相互关系 任意的选择一个或多个灯的各种亮度参数 这样的技术简化了灯光 的控制方法 减轻调光师的工作负担 为大 规 模 控 制 灯 光 提 供 了 可 能 5 本篇论文就 是利用 dmx512 数字信号控制技术对演播室灯光控制系统加以改造 本系统使用模块化构造设计方案 简单灵活 安装方便 控制回路及负载回路分 离 各个回路灯具直接接到输出设备上 将所有设备通过 4 芯低压电缆 确保人身安全 连成网络 再通过输入设备 触摸屏 面板 来控制灯光场景 根据环境及用户需求变化 仅仅需做软件修改设置或少量线路改造 就能解决灯光布局改变与功能扩充等问题 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 1 引言 3 并且系统内各设备控制资料独立存储 任意设备损坏也不会影响本系统中其它设备正 常工作 更不会引起系统瘫痪 存储资料也具有停电后数据不丢失功能 在恢复供电时 系统会自动恢复到停电前工作状态 系统设备中配有 软运行 功能以防止由于高运 行电流或热冲击而引起的灯具永久性损坏 灯光控制系统最终能达到的功能是能通过 软件设置 实现灯光的开关 调光 就地控制 多点控制 遥控控制 区域控制等功 能 并且运用时只要通过简单触摸操作方法就能切换场景 目前各大电视台 如 天津电视台 河南电视台 阜阳电视台等 也都在投入使 用这种基于 dmx512 数字信号控制技术的灯光控制系统 1 3 本课题主要研究内容 本课题在对基于 dmx512 协议的演播室灯光解码控制系统的功能特点和性能要 求的研究设计基础上 分析为实现其功能和达到其性能要求所需的硬件和软件结构 同时需要完成的主要内容有 1 实现灯光控制系统的软硬件设计 包括 pc 与单片机之间的通信 单片机与单 片机之间的通信 以及单片机对步进电机的控制 2 熟悉并掌握 at89c52 单片机 步进电机 rs 232 rs 485 通信等一些知识 3 将控制系统分成若干相对独立的功能模块 既保证控制系统的精度要求 又 要便于系统调试和系统功能的扩展 4 对灯光不同的功能要求 相应的驱动电机要采用不同的细分数和控制方法 5 要对系统进行控制精度分析 并研究提高系统控制精度的方法 本文各章的主要安排 第一章阐述本课题研究背景及国内外现状分析 第二章对本课题可能用到的知识做简要介绍 第三章初步论证设计方案并确定最终的设计方案 第四章对灯光解码控制系统硬件部分进行设计 第五章对灯光解码控制系统软件部分进行设计 第六章对灯光解码控制系统进行总结分析 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 4 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 2 1 dmx512 协议 2 1 1 dmx512 数字信号的概念数字信号的概念 在 1986 年的时候 首先由美国剧院技术研究机构 usitt 提出了控制台与调光器 之间的 dmx512 数字信号控协议草案 这是一个极易被专业灯光人员接受的简单易行 的技术方案 这个草案后来经过进一步改进 具有更广泛的通用性和兼容性 并于 1990 年公布实施 就是所谓的 usitt dmx512 1990 标准 这种协议后来被娱乐服务技术 学会 esta 接受 从此 这种数字控制协议就被广泛地应用到灯光控制台中 首先用 它来控制调光硅箱 后来进一步扩展了其它的用途 可以通过这种信号来控制电脑灯 换色器 电动吊杆 机械灯 激光表演系统 烟机以及彩带枪等舞台常用的设备 digital multiple x dmx 的中文意思是多路数字传输 dmx512 信号的传输方 式用工业标准 eia485 来实现 这种通信协议是在控制单元和受控单元间的一组组数 据流 连续传输包括复位信号 开始代码和 1 512 的数据信号的数据包 它的最突 出的优点是 当第一个数据包完成后 毫不间歇地传输第二个 如果后一个数据包与 前一个相同 它也会一遍又一遍发送同一个数据包 如果因某种原因使某个数据没有 得到破译 它还会在极短的时间内重新发送 直到被接收设备执行为止 该协议以帧为单位 每帧数据由同步头和 512 个字节组成 以符合 eia485 标准 的串行方式进行数据发送和接收 数据传输速率为 250kbit 秒 一个字节又和一个起 始位和两个结束位一起组成一个帧 第一个字节是起始字节 接下来的字节是传送到 控制设备上的数据 dmx512 控制协议是假设接收器的最小存储量 即使没有一个字 节改变 也会连续不断的发送信息 速度高达每秒 44 次 1 2 1 2 dmx512 信号的物理特性信号的物理特性 dmx512 是围绕工业标准 eia485 接口设计的 eia485 属于接口 电压 电流 等的 电 端 系统是基于沿着屏蔽导体双绞线的向下对称发送而建立的 这种缠绕结构确保所 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 5 产生的干扰会同样地作用于两个信号 因此保证了一致的数字定相 所用的导线应该 是由一条或两条双绞线 箔片和编织筛所构成的合适的数据导线 对称音频导线则不 能完成这个工作 通常地 就如任何网段一样 导线两头应该有两个终端 灯光控制台通常在一头 作为终端 而另一头应该只有一个 120 的电阻 eia485 规范只支持 雏菊链 或每段上最多以 32 个 单元负载 所构成的串行网 络 制造商声称每段可以长达 1000m 但是 要特别指出的是 中继器的作用应该考 虑到 700m 或 800m 左右 这样可以防止环境的异常 dmx512 信号通过五芯 xlr 圆柱形插头把控制台和受控设备连接起来 根据 标准要求各芯功能和导线颜色的具体规定见表 2 1 表 2 1 各芯功能和导线颜色 芯号 功能 线颜色 1 屏蔽地 屏蔽线 2 信号负 黑线 3 信号正 白线 4 预留信号负 绿线 5 预留信号正 红线 dmx512 控制线采用 5 针 xlr 有时候是 3 针 连接设备 如表 2 1 母接口适 用于发送器 而公接口适用于接收器 规范中建议用一条两对导线 4 个连接口 来实现屏蔽 虽然只是需要其中一对 第二对导线用于未指定的可选场合中 必须注意的是一些调光器使用这些线来指示故障和状态信息 如果调光器用第二 个信道 则需要专门配置的分路器和中继器 把线连接到逻辑电平最安全的方法是使用一个 标准 接口 ic texas instruments 的 sn75176bp 如果要实现连接以及隔离 burr brown 的 iso485p 是好的选择 使 用这些接口方法为每个设备提供一个额定的单元负载 这些设备都允许在段上最多安 装 32 个接收器 发送基于一种 8 位异步串行协议 带一个开始位 低电平 和两个停止位 高电 平 没有奇偶校验 因此一个资料帧有 11 位元 由于每一位的宽度是 4 祍 1 祍 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 6 1 s 所以发送一个帧需要 44 祍的时间 如果线路要发送一个连续的数据流 则会 产生 250000b s 的资料率 或称 250k 波特 8 位字对于每个调光器允许以 0 到 255 的范围来发送 256 个独立级别 开始位和停止位用于使发送器和接收器同步 资料线通常处于高电平 实际上它 空闲时会处于高电平状态 更多的是处于这种状态 开始位的出现促使接收器投入 工作 后面的 8 位元资料被扫描且被译码 然后接收器等待停止位到来 停止位过后 会再次出现这个过程 我们需要停止位有两个理由 让接收器有充分的时间处理输入 的资料 让线路处于高电平的状态 这样下一个 开始 才能被检测到 dmx512 最多 可支持 512 个调光器 现在我们只看到了第 1 个 那么怎样为所有的调光器处理资料 呢 答案是简单的 只是不断重复这个过程 我们在段上取得了一个数据流 但是没有办法辨别哪一帧是属于哪一个调光器 的 这就需要了解 dmx512 信号传输 数据包 的特性 2 1 3 dmx512 信号传输信号传输 数据包数据包 特性特性 前面已经说过 dmx512 信号是以电子方式传播的数据包信号 它包括高电平 1 和低电平 0 根据计算机语言特性来分析 dmx512 数据包包括以下几部分 见图 2 1 无信号指示 idle 或 no dmx 中断 break 中断后标志 mark after break 或 mab 开始码 start code 或 sc 光路信息码间隔标志 mark time between frames 或 mtbf 光路信息码 channel data 或 cd 数据包间隔标志 mark time between packets 或 mtbp 并且 dmx512 标准还对每一部分的时间长度作出了明确的规定 见 表 2 2 下面我们就对这几部分加以说明 1 无信号指示 idle 或 no dmx situation 当无 dmx5l2 信号指令输出时 信 号指示永远处于高电平 中断 break 从 dmx 数据包开始发送信号前 88 s 信号指示变为低电平 这就意味着用 22 个位来表示两组信号之间的中断 另外 这个中断的时间长短 通 常情况下与设计者的设定有关系 在不同的设备之间可能有所不同 但最低不能小于 88 s 中断后标识 mark after break 或 mab 紧接着中断就是一个 2 个位 即 8 s 的高电平 它标志着中断的结束 这个时间的长短在不同标准中是有所区别的 最初 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 7 的 dmx512 标准只有一个位 4 s 在 usitt dmx512 1990 中规定为两个位 8 s 开始码 start code 或 sc 开始码标志着数据包中真正信息流的开始 它告 诉接收设备开始接收光路控制信息 开始码定义为光路 0 也就是表示没有光路信息 存在 在开始码后面的每个光路信息码和开始码的结构形式是相同的 都包括一个开 始位和两个停止位 它的时间长度是有严格规定的 为 11 个位 44 s 开始码和光 路信息码有以下几部分组成 开始位 start bit 它由 1 个位组成 表现为低电平 它的时间长度是 4 s 光路数据位 data bits 它的长度为 8 个位元 32tarts 即前面我们所说的 8 位传 输特性 也就是说它可用来表示在十进制数字中 0 255 这 256 个不同的值 停止位 stop bits 它由 2 个位组成 表现为高电平 它的时间长度是 8 s 当 dmx512 控制信号完成一次从 1 到 512 个光路信息的发送后 在第二次发送时仍然是 从开始码开始的 也就是说在每个数据包内都要有一个开始码 光路信息码间隔标识 mark time between frames 或 mtbf 为了区分每个光 路的信息 在每个光路控制信号的开始位前加一个高电平的标识 它的时间长度没有 具体规定 但要越小越好 光路信息码 channel data 或 cdx 前面已经说过 在开始码后面就是 l 到 512 个光路的控制信号光路信息码 数据包间隔标识 mark time between packets 或 mtbp 当传输完一个包含 l 到 512 个光路的数据包后 另一个数据包又从中断 break 开始 但是 要在两个数据 包之间增加一个高电平的标识 标识时间的长短没有明确规定 往往是根据控制台及 其软件的设计要求 可以是 0 1s 的任意设置 表 2 2 usitt dmx512 1990 时间规定表 名称 最小值 标准值 最大值 单位 中断 break 88 88 1000000 s 中断后标识 mab 8 s 光路信息码结构宽度 frame width 44 s 开始位 start bit 4 s 停止位 stop bits 8 s 光路信息码间隔标识 mtbf 0 没有规定 1000000 s 数据包间隔标识 mtbf 0 没有规定 1000000 s 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 8 图 2 1 dmx512 数据包结构示意图 2 2 d54 模拟灯光控制协议 d54 是 strand lighting 公司在 70 年代末开发的模拟灯光控制协议 通过一对线 缆传送 384 个模拟调光信息 见 d54 信号时序图 图4 d54信号时序图 2 3 脉冲宽度调制 pwm 技术 2 3 1 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 pwm 技术简介技术简介 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式 其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或 基极的偏置 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变 这种方式能 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 9 使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定 是利用微处理器的数字输出来对模拟 电路进行控制的一种非常有效的技术 pwm 控制技术以其控制简单 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广 泛应用的控制方式 也是人们研究的热点 由于当今科学技术的发展已经没有了学科 之间的界限 结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 pwm 控制技 术发展的主要方向之一 2 3 2 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 pwm 具体过程具体过程 数字脉冲宽度调制器的构成如图 2 3 图 2 3 数字脉冲宽度调制器的构成 脉冲宽度调制 pwm 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分 辨率计数器的使用 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 pwm 信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 on 要么完全无 off 电压或电流源是以一种通 on 或断 off 的重复脉冲序列 被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 断的时候即是 供电被断开的时候 只要带宽足够 任何模拟值都可以使用 pwm 进行编码 6 多数负载 无论是电感性负载还是电容性负载 需要的调制频率高于 10hz 通常调 制频率为 1khz 到 200khz 之间 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 10 2 3 3 脉冲宽度调制脉冲宽度调制 pwm 技术优点技术优点 pwm 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的 无需进行数模转 换 让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0 或将逻辑 0 改变为逻辑 1 时 才能对数字信号产生影响 对噪声抵抗能力的增强是 pwm 相对于模拟控制的另外一个优点 而且这也是在 某些时候将 pwm 用于通信的主要原因 从模拟信号转向 pwm 可以极大地延长通信 距离 在接收端 通过适当的 rc 或 lc 网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为 模拟形式 总之 pwm 既经济 节约空间 抗噪性能强 是一种值得广大工程师在许多设 计应用中使用的有效技术 2 4 相关硬件的的功能特性 2 4 1 at89c52 的功能特性的功能特性 a t89 c 5 2 提 供 以 下 标 准 功 能 8 k 字 节 f l a s h 闪 速 存 储 器 2 56 字节内 部 r a m 3 2 个 i o 口线 3 个 1 6 位 定 时 计 数 器 一 个 6 向量 两 级中 断 结 构 一个 全 双工串 行 通信口 片内振 荡 器 及时 钟 电路 同 时 a t 8 9 c52 可 降至 0 h z 的静态 逻 辑操作 并支持 两 种 软 件 可 选 的 节 电 模 式 空 闲 方 式 停 止 c p u 的 工 作 但 允 许 r a m 定 时 计 数 器 串 行 通 信 口 及 中 断 系 统 继 续 工 作 掉 电 方 式 保 存 r a m 中 的 内 容 但 振 荡 器 停 止 工 作 并 禁 止 其 它 所 有 部 件 工 作 直 到 下 一 个 硬件复位 7 at 8 9 c 5 2 的 引 脚 图 如 图 2 4 所 示 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 11 图 2 4 at89c52 的引脚图 引脚 功 能 说 明 v c c 电 源 电 压 g n d 地 p 0 口 p 0 口 是 一 组 8 位 漏 极 开 路 型 双 向 i o 口 也 即 地 址 数 据 总 线 复 用 口 作 为 输 出 口 用 时 每 位 能 吸 收 电 流 的 方 式 驱 动 8 个 t t l 逻 辑 门 电 路 对 端 口 p 0 写 1 时 可 作 为 高 阻 抗 输 入 端 用 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 或 程 序 存 储 器 时 这 组 口 线 分 时 转 换 地 址 低 8 位 和 数 据 总 线 复 用 在 访 问 期 间 激 活 内 部 上 拉 电 阻 在 f l a s h 编 程 时 p 0 口 接 收 指 令 字 节 而 在 程 序 校 验 时 输 出 指 令 字 节 校 验 时 要 求 外 接 上 拉 电 阻 p 1 口 p 1 是 一 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 i o 口 p 1 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动 吸 收 或 输 出 电 流 4 个 t t l 逻 辑 门 电 路 对 端 口 写 1 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 此 时 可 作 输 入 口 作 输 入 口 使 用 时 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时 会 输 出 一 个 电 流 iil p 2 口 p 2 是 一 个 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 i o 口 p 2 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动 吸 收 或 输 出 电 流 4 个 t t l 逻 辑 门 电 路 对 端 口 p 2 写 1 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 此 时 可 作 输 入 口 作 输 入 口 使 用 时 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时 会 输 出 一 个 电 流 iil 在 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 1 6 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 例 如 执 行 m o v x d p t r 指 令 时 p 2 口 送 出 高 8 位 地 址 数 据 在 访 问 8 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 12 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 如 执 行 m o v x r i 指 令 时 p 2 口 输 出 p 2 锁 存 器 的 内 容 f l a s h 编 程 或 校 验 时 p 2 亦 接 收 高 位 地 址 和 一 些 控 制 信 号 p 3 口 p 3 是 一 组 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 i o 口 p 3 口 输 出 缓 冲 级 可 驱 动 吸 收 或 输 出 电 流 4 个 t t l 逻 辑 门 电 路 对 p 3 口 写 入 1 时 它 们 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 并 作 为 输 入 端 口 此 时 被 外 部 拉 低 的 p 3 口 将 用 上 拉 电 阻 输 出 电 流 iil p 3 口 除 了 作 为 一 般 的 i o 口 线 外 更 重 要 的 用 途 是 它 的 第 二 功 能 如 表 2 3 所 示 此 外 p 3 口 还 接 收 一 些 用 于 f l a s h 闪 速 存 储 器 编 程 和 程 序 校 验 的 控 制 信 号 表 2 3 p3 口的第二功能 端口引脚 第二功能 p3 0 rxd 串行输入口 p3 1 txd 串行输出口 p3 2 0int 外中断 0 p3 3 1int 外中断 1 p3 4 t0 定时 计数器 0 p3 5 t1 定时 计数器 1 p3 6 wr 外部数据存储写选通 p3 7 rd 外部数据存储读选通 rs t 复 位 输 入 当 振 荡 器 工 作 时 r s t 引 脚 出 现 两 个 机 器 周 期 以 上 高 电 平 将 使 单 片 机 复 位 ale psen 当 访 问 外 部 程 序 存 储 器 数 据 存 储 器 时 a l e 地 址 锁 存 允 许 输 出 脉 冲 用 于 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 一 般 情 况 下 a l e 仍 以 时 钟 振 荡 频 率 的 1 6 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 因 此 它 可 对 外 输 出 时 钟 或 用 于 定 时 目 的 要 注 意 的 是 每 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 将 跳 过 一 个 a l e 脉 冲 8 psen 程序 储 存 允 许 psen 输 出 是 外 部 程 序 存 储 器 的 读 选 通 信 号 当 a t 8 9 c 5 2 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 令 或 数 据 时 每 个 机 器 周 期 两 次 psen 有 效 即 输 出 两 个 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 13 脉 冲 在 此 期 间 当 访 问 外 部 数 据 储 器 将 跳 过 两 次 psen 信 号 ea vpp 外部 访 问 允 许 欲 使 c p u 仅 访 问 外 部 程 序 存 储 器 地 址 为 0 0 0 0 h f f f f h ea 端 必 须 保 持 低 电 平 接 地 需 注 意 的 是 如 果 加 密 位 l b 1 被 编 程 复 位 时 内 部 会 锁 存 ea 端 状 态 xtal1 振荡 器 反 相 放 大 器 的 及 内 部 时 钟 发 生 器 的 输 入 端 xtal2 振荡器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 9 2 4 2 stc90c52rc 的的功能特性功能特性 stc90c52rc 引脚如图 2 5 所示 其引脚功能说明如下 1 输入 输出引脚 i o 口线 p0 0 p0 7 p0 口 8 位双向 i o 口 占 39 32 脚 p1 0 p1 7 p1 口 8 位准双向 i o 口 占 1 8 脚 p2 0 p2 7 p2 口 8 位准双向 i o 口 占 21 28 脚 p3 0 p3 7 p3 口 8 位准双向 i o 口 占 10 17 脚 2 控制口线 psen 29 脚 外部程序存储器读选通信号 ale prog 30 脚 地址锁存允许 编程信号 ea vpp 31 脚 外部程序存储器地址允许 固化编程电压输入端 rst vpd 9 脚 rst 是复位信号输入端 vpd 是备用电源输入端 3 电源及其它 vcc 40 脚 电源端 5v gnd 20 脚 接地端 xtall xtal2 19 18 脚 时钟电路引脚 当使用内部时钟时 这两个引脚端外接 石英晶体和微调电容 当使用外部时钟时 用于外接外部时钟源 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 14 图2 5 stc90c52rc管脚图 2 4 3 sn75176bp 的功能特性的功能特性 类别 寄存器 接口类型 rs 485 rs 422 封装形式 dip 针脚数 8 工作温度范围 0 c to 70 c 封装类型 dip 工作温度最低 0 c 工作温度最高 70 c 器件标号 75176 器件标记 sn75176bp 温度范围 商用 电源电压 最大 5 25v 电源电压 最小 4 75v 表面安装器件 通孔安装 逻辑功能号 75176 接收器数 1 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 2 灯光解码控制系统重要协议及技术概述 15 收发器类型 差分 电源电流 42ma 线 总线驱动器 接收器 收发器类型 差分 输出电流 最大 60 ma 图 2 5 sn75176b 的引脚图 3 灯光解码控制系统方案设计 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 16 3 灯光解码控制系统方案设计 3 1 演播室灯光解码控制系统设计方案论证 原常熟电视台 800 平方米演播室的灯光控制系统是 97 年安装并投入使用的 属 于早期产品 2003 年请厂家来人对信号解码线路部分进行了大规模检修 但是在以 后使用中还是会时不时出些故障 至今整套控制系统使用时间已经超过了 12 年 由 于早期的解码控制电路大量采用了运放 cmos 数字集成块等分立元件 所以出故障 率随着使用时间的推移而逐渐增大 并且厂家已经停产了此套系统中的解码板 加上 厂家来实地改造预算要 20 万元左右 本着节约资金和提高整个运维团队技术水平的 情况下 决定对整个灯光控制系统电路进行改造 实现演播室灯光控制系统的可执行方案如下 方案一 逻辑电路控制 相对于其他元器件 数字逻辑器件的价格可以说是非常 廉价 因此用一个组合逻辑电路来控制演播室的灯光可以说是非常便宜的 且电路简 单易懂 但缺点是不能实现智能化 而且控制不方便 不能精确地控制演播室在各种 环境下要求到的最佳效果 10 方案二 采用 plc 控制 plc 通过编写程序对信号就行控制可以说实现十分容 易 且程序简单易懂 但 plc 使用与大型工业应用 价格也十分昂贵 11 方案三 采用单片机控制 单片机控制电路的主要优点是灵活性高 易于处理输 入的电信号 不容易丢失输入的信号 且价格也相对便宜 比较以上三种方案可以看出 采用单片机控制的优点是逻辑电路控制及 plc 控 制不可以比拟的 因此本设计采用方案三进行设计 3 2 演播室灯光解码控制系统总设计框图 由于演播室灯光为大功率用电设备 为了实现三相平衡供电要求 设计为三相四 线供电 当然也可用于单相供电电路 一个控制柜共 96 路 垂直每 32 路为一组控制 单元 三个控制柜总需要有 12 个控制单元 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 3 灯光解码控制系统方案设计 17 每个控制单元的功能框图如下图 3 1 图 3 1 32 路 dmx512 灯光解码框图 1 工作原理 过零点检测检测输入的 a b c 三相交流电是否有缺相部分 若系统检测三相 电源无缺相部分则输出完整的三相交流电 输出无缺相的交流电再经处理 可输出稳 定 可靠 无缺相的电源 dmx512 所采用的 eia 485 的电气标准是一个总线型的传 输线 任何一个接收设备只要接在这两根传输线上 便可接收控制台发出的数据信号 采用 dmx512 协议标准传送灯光亮度信号 在接收端 数字传输可控硅调光柜需附 加一个解码器 电源部分提供的外部电压为 220v 的工频电压 通过电源系统处理 给各个电路提供电源 12 2 设计的优点 保证输入的是稳定 可靠 无缺相的三相交流电 电源系统为各个电路的输入提 供稳定的电源 为整个系统提供一个稳定可靠的运行环境 使控制不同背景下的灯光 都能达到最好的效果 传输的稳定性和抗干扰性较好 3 能达到的效果 在这样一个控制系统中 各控制台可以独立调试 控制各展区的灯光效果 编排 存储灯光场景 主控制台既可以单独控制个控制台 同时也可以统一控制各展区控制 台 在灯光控制中适当增加备份控制台来保证整个系统的可靠性 13 为了提高电路的抗干扰能力 设计分为三个部分 电源及信号转换 过零点检测 3 灯光解码控制系统方案设计 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 18 设计为一个 pcb 信号处理为一个 pcb 剩下信号输出及显示为第三部分 原演播室硅箱采用了型号为 hs260pk 的单向可控硅反并联型 增强型 固态继 电器 ssr 控制灯光的亮度 最大额定电流为 60a 工作电压为交流 220v 触发 时序如图 3 2 图 3 2 双向可控硅触发时序图 从上图可以看出 可控硅调压是通过改变可控硅的导通角的方法进行 市电频 率为 50hz 每半周时间为 10ms 当 delay 0 灯最亮 当 delay 255 时灯关闭 因亮 度值可调整范围为 256 级 所以最小调整单位约为 39us 10ms 256 因此我们对其 改造设计要求单片机每个通道输出一个以市电过零点为基准 频率为两倍于市电频率 100hz 的可调脉宽波形 且单片机控制时需要检测交流电源的过零点 系统设计的整个电路原理图将在第四 五章详细介绍 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 4 灯光解码控制系统硬件设计 19 4 灯光解码控制系统硬件设计 4 1 电源及信号转换 过零点检测部分设计 4 灯光解码控制系统硬件设计 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 20 图 4 1 32 路 dmx512 灯光解码器电源及信号转换 过零点检测原理图 基于 dmx512 协议的灯光解码控制系统设计 4 灯光解码控制系统硬件设计 21 上图所示 三相过零取样电路选取了 tlp521 2 8 脚 dip 封装 内部提供两个 隔离通道对强电进行隔离 对正弦波正负半周取样 然后经 74hc04 反相器进行整形 送往单片机 电源方面使用了两路电源 主电源经整流桥过三端稳压 7805 得到 5v 电压送往除信号转换电路以外的所有电路单元 另外一路电源经整流桥过 78m05