灯光控制系统设计.doc

毕业论文 设计 毕业论文 设计 题题 目目 灯光控制系统设计 学生姓名 于凤杰 学 号 20041308001 院 系 计算机与软件学院 专 业 计算机科学与技术 指导教师 徐昕 二 七二 七 年年 五五 月月 十二十二 日日 2 目 录 1 引言 4 1 1 灯光控制技术的发展 4 1 2 嵌入式系统的发展 5 2 灯光控制系统中的技术标准 5 2 1 RS 485 接口标准 5 2 2 通信系统及接口电路设计 6 2 3 DMX512 协议的演变 8 2 4 DMX512 信号格式 8 2 5 信号的传输与设备的连接 10 3 系统中的主控板与 PC 之间的通信 13 3 1 RS 232 串行通信 13 3 2 RS 232 串口通信的设计 15 3 3 主控板与 PC 之间的串行异步通信接口电路 16 4 灯光控制系统的分析与设计 17 4 1 系统设计思想 17 4 2 系统框图及功能 18 4 3 主控制设备 19 4 4 系统设计原理图 20 5 主控板与从控板上的硬件设计 20 5 1 单片机的选型 20 5 2 AT89C52 的功能特性 21 3 5 3 主控板电路原理图 23 5 4 从控板电路原理图 24 5 5 步进电机简介 24 5 6 复位电路 28 6 主控板与从控板上的软件设计 28 6 1 汇编语言简介 28 6 2 控制步进电机的软件设计 29 6 3 控制从控板上 LED 灯的软件设计 36 7 总结 41 参考文献 42 致 谢 43 ABSTRACT 44 4 灯光控制系统设计灯光控制系统设计 于凤杰 南京信息工程大学计算机与软件学院 南京 210044 摘要摘要 本文以灯光控制系统的设计为背景 详细介绍了灯光控制系统中通信协议 硬件设备等的相关知识 整个系统包括 了 DMX512 协议 RS 232 通信 主控板与从控板的通信 步进电机等部分组成 本文主要介绍了灯光控制系统的软硬件 设计 并详细介绍了设备间的通信以及实现原理 关键词 关键词 DMX512 RS 232 单片机 主控板 从控板 1 引言引言 1 11 1 灯光控制技术的发展灯光控制技术的发展 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 另外 随着网络化技术的不断成熟 灯光控制技术还将会迎来一场新的革命 在这里 我 们主要来讨论的是 DMX512 数字信号问题 也是每一位灯光工作者天天要接触到的技术问题 至于网络 化技术将会如何影响灯光控制技术 不在本文的讨论之列 在最初的原始控制技术时期 舞台灯光的控 制相当麻烦 演出过程中 在舞台四周布满大大小小的各式各样的手动控制开关 每一盏灯需要一个开 关 并且还要敷设大量的灯线 其工作量是可想而知的 受控的灯具也只有亮灭两种状态 根本不可能 调光 提供的纯粹是单纯的照明 我们可以想象 那时的灯光工作者只是忙于灯具的开和关 很难顾及 到舞台的艺术效果 后来 随着技术的进步 将一些大功率的电位计 应用到灯光控制技术中 能够做到简单的调光 但与舞台艺术效果的需求还相差很远 要想完成大范围的艺术照明几乎是不可能的 再后来 自动化技 术 电子技术和半导体技术的应用 把可控硅技术应用到调光器中 产生了硅箱 这标志着模拟调光技 术时期的到来 这种技术是通过模拟调光台 实际上是一个个电位器推子 输出的 0 一 10V 的模拟信号 控 制可控硅的导通角来完成灯具调光功能的 它能够做到每一个灯具具有不同的亮度输出 时至今日 这 种模拟调光方式还在一些小型演出活动中使用 可以说 模拟调光技术的应用为今天灯光技术的飞速发 展奠定了基础 也为当今电视舞台上丰富多彩的灯光艺术创作提供了可能 但是 这种技术需要一个推 杆 Fader 对应着一个调光回路 Dimmer 同时也需要连接一条信号线 可以想象一下 如果一台演出需 要控制 500 个调光回路 就要有一台具有 500 个电位器推子的调光台 同时还需要连接 500 条信号控制 线 这是不可能的事 随着时间的推移 随着电视事业的不断发展壮大和舞台演出市场的日益活跃 要求具有强大功能的 5 灯光控制系统的出现 到了 20 世纪 80 年代 数字化电脑技术的应用和普及 产生了新一代的灯光控制 技术 即所谓的 DMX512 数字信号控制技术 DMX512 数字信号控制技术就是在这样的背景下产生的 这种控制技术最终虽然仍采用可控硅控制灯光 但是它采用的电脑控制台只用一条信号线就可以同时输 出多路串行的 DMX512 数字信号 它通过电脑系统来控制整个灯光控制系统 不需要一个推杆对应着一 个调光器 它可以任意设置推杆和调光器之间的对应关系 通过推杆和按键可以随意调整调光台和回路 之间的连接状态 可以任意选择可控硅调光曲线的斜率等重要参数 这种技术大大简化了灯光的控制方 式 为大规模控制灯光提供了可能 1 21 2 嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展 当网络 通信和多媒体信息家电业兴起后 出现了嵌入式系统高端应用的市场 而在嵌入式系统高 端应用中 进行多年技术准备的 ARM 公司适时地推出了 32 位 ARM 系列嵌入式微处理器 以其明显的 性能优势和知识产权平台扇出的运行方式 迅速形成 32 位机高端应用的主流地位 以至于使不少传统嵌 入式系统厂家放弃了自己的 32 位发展计划 转而使用 ARM 内核来发展自己的 32 位 MCU 网络 通信 多媒体和信息家电时代的到来 无疑为 32 位嵌入式系统高端应用提供了空前巨大的发 展空间 同时 也为 8 位机向高端发展起到了接力作用 控制系统的网络化 智能化的发展趋势要求在 这些 8 位机的应用中提升海量数据处理能力 当 8 位无法满足这些提升要求时 便会转而求助 32 位机的 解决方法 因此 32 位机的市场需求发展由两方面所致 一方面是高端新兴领域的拓展 另一方面是低 端控制领域应用在数据处理能力的提升要求 嵌入式系统无处不在 在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业 包括工业自动化 国防 运输和航天领域 生活中 嵌入式系统也比较常见 事实上 几乎所有带有一点 智能 的家电 都是嵌入式系统 嵌入式系统广泛的适应能力和多样性 使得视听 工作场所甚至健身设备中到处都存 在嵌入式系统 2 灯光控制系统中的技术标准灯光控制系统中的技术标准 本章将详细介绍灯光控制系统中所用到的 RS 485 通信和 DMX512 协议的相关知识 2 12 1 RS 485RS 485 接口标准接口标准 RS 485 用平衡差动的方式传输数据 抗干扰性强 速率高 传输距离远 能够实现多点传输 它允 许同时连接 32 个驱动器和 32 个接收器 方便地组成一个小型的网络 在测控领域 应用很广泛 RS 485 是一个电气接口规范 它规定了平衡驱动器和接收器的电气特性 而没有规定接插件传输电缆和通信 6 协议 RS 485 支持半双工或全双工模式网络拓扑 一般采用终端匹配的总线型结构 不支持环形或星型网 络 最好采用一条总线将各个节点串接起来 从总线到每个节点的引出线长度应尽量短 以便使引出线 中的反射信号对总线信号的影响最低 RS 485 最小型由两条信号电路线组成 每条连接电路必须有接地参考点 电缆能支持 32 个发送 接 收器对 为了避免地电流 每个设备一定要接地 电缆应包括连至每个设备电缆地的第 3 信号参考线 RS 485 接口采用差分方式传输信号 并不需要相对于某个参照点来检测信号系统 只需检测两线之 间的电位差就可以了 但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围 7 12V 的条件下才能 正常工作 当共模电压超出此范围时 就会影响通信的可靠性甚至损坏接口 RS 485 电气特性如表 2 1 所示 表 2 1 RS 485 电气特性 项目条件最小值最大值 逻辑 11 5V6V 驱动器开路输出电压 逻辑 0 1 5V 6V RL 100 逻辑 1 1 5V5V 驱动器带载输出电压 RL 100 逻辑 0 1 5V 5V 驱动器输出短路电流每个输出对公共端250mA 驱动器输出上升时间RL 54 C 50pF 总周期的 30 驱动器共模电压RL 54 3V 接收器灵敏度 7V 12V CM V200mV 接收器共模电压范围 7V 12V 接收器输入电压12k 在总线负载及阻抗匹配符合技术要求的前提下 RS 485 标准所能达到的理论最高传输速率为 10Mbit s 但是 在该速率下的有效传输距离只有 10m RS 485 总线的有效传输距离与数据传输速率相 关 可以用下面的经验公式表示 有效传输距离 m 108 sbit msbit 数据传输速率 2 22 2 通信系统及接口电路设计通信系统及接口电路设计 2 2 1 通信系统设计通信系统设计 7 本系统采用的是一主多从的总线型连接方式 如图 2 1 所示 在总线的末端 加入了两个 120的电 阻 以实现通信线路的阻抗匹配 从而消除反射 吸收噪声 信号在传输线上传输时 若总线阻抗不连 续 就会出现反射现象 影响信号的有效传输 双绞线的特性阻抗在 110 130之间 因此 选用 120 的电阻作为匹配电阻 上位机 MAX48 MAX48MAX48MAX48 1号机2号机N号机 R1R2 图 2 1 基于 RS 485 的多机通信系统 2 2 2 接口电路的设计接口电路的设计 接口电路的主要任务是利用 RS 485 收发器实现电气特性转换 RS 485 的收发器种类很多 常用的有 DS96176 MAX481 MAX483 和 MAX485 图 2 2 单片机 RS 485 接口电路 8 本设计采用 MAX483 作为收发器 接口电路如图 2 2 所示 MAX483 采用单 5V 电压供电 电源电 流为 120 150A 在待机方式下的电流仅为 0 1A 最高数据传输速率 250kbit s MAX483 采用半双工异步通信方式 用接收器使能信号和发送器使能信号 DE 来控制通信状态的RE 转换 为低 接收器工作 处于接收状态 为高 发送器工作 处于发送状态 本设计用单片机RERE P1 0 引脚同时控制和 DE 当 P1 0 置高 发送信息 P1 0 置低 接收信息 RE 上位机和下位机电路相同 在总线连接时 上位机的输出对应所有下位机的输入 下位机的输出对 应上位机的输入 2 32 3 DMX512DMX512 协议的演变协议的演变 随着数字化技术及计算机技术的应用和普及 出现了电调光台 先后出现了 D54 AVAB CMX PMX EMX 等模拟及字通信协议 由于以上协议标准是各生产厂家各自的协议准 因而它们之间的兼容性不好 设备之间的相互通用存在题 后来 为了解决各个厂家设备通用性的问题 美国剧场术协会 USITT 于上世纪 80 年代初制定了 DMX512 协议标准 DMX 是 Digital Multiplex 的缩 写 译名为数字多路复用协议 协议制定后 又经过修改 USITT 于 1990 年将 DMX512 协议更规范 形成了 DMX512 1990 目前几乎所有的光及舞台设备生产厂商都支持此控制协议 作为广泛采用数字灯 光数据协议 DMX512 1990 也成为灯光控制的国际标准 DMX512 协议标准的统一使得各厂家的设备可相互连接 兼容性大大提高 同时 由于 DMX512 协 议采用串行方式传送数字信号 控台与设备之间只要一根信号线即可 大大简化了控制台与设备之间的 连接线 现在 又出现了基于 TCP IP 协议的网络化灯光控制系统 它能够实现双向传输 状态报告 远 程控制 资源共享等 功能较多 许多厂家正在做这方面的事情 如国内的河东企业等 虽然灯光控制 系统已发展到网络化控制系统 但 DMX512 信号系统仍是目前应用最广泛的系统 即使是大型的网络化 灯光控制系统 控制的末端仍然大量采用 DMX512 信号控制方式 这里将对 DMX512 信号做一个简单 的分析 了解 DMX512 信号的格式 地址码的设定等 以及当信号控制的设备较多 通道总数超过 512 时 各设备的地址码如何设定等 作一个简单的介绍 2 42 4 DMX512DMX512 信号格式信号格式 DMX512 信号时序图如图 2 3 所示 9 MAB MTBP IDLE 线路空闲标志 BREAK 起始标志 BREAK 起始码 START CODE 数据帧数据帧数据帧 通道1通道2 MTBF MTBF 数据帧 通道512 图 2 3 DMX512 信号时序图 DMX512 信号的数据格式分为以下几个部分 1 无信号指示 IDLE 空闲的 或 NO DMX Situation 当没有 DMX 数据包输出时 将是一个 高电平信号 2 中断 BREAK 从 DMX 数据包开始发送信号前 88s 信号指示变为低电平 这就意味着 用 22 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 88s 根据经验 人们发现一个大于 88 微秒的 BREAK 将更有利于发送和接收 一般在设计时将它设计为 120 微秒 3 中断后标识 MARK AFTER BREAK 或 MAB MAB 是 BREAK 后的一个 8 微秒的高电平 或 2 个脉冲 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 旧版本的 DMX 标准 为 4 微秒或 1 个脉冲 在连接老的控制台时会产生数据的混乱 在 USITT DMX512 1990 中规定为两 个位 8s MAB 也可设置为 12 微秒 4 开始码 START CODE 或 SC SC 是数据流开始的通道数据 它具有与通道数据相同的格 式 一般为 11 个脉冲或 44 微秒 它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 4s 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 8s 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 5 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 在每个通道起始位前可以有 MTBF 为高电平 它的时间长度没有具体规定 但要越小越好 一般 小于 1 秒 6 光路信息码 Channel Data 或 CD 在开始码后面就是 l 到 512 个光路的控制信号光路信息码 10 7 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 ls 的任意设 置 DMX512 数字信号由起始码和 512 个数据帧组成 按串行方式发送和接收数据 数据帧内包含一个 开 始位 低电平 8 位数据和两个停止位 高电平 没有奇偶校验 也就是说一个数据帧有 11 个位 元 每一位的宽度是 4us 发送一个帧需要 44us 的时间 由于每一位的时间是 4us 所以 DMX512 信号 的数据 率为 250kb s 8 个数据位 也可称为二位十六进制数 OOH FFH 用来传送数据 传送的数据 范围为 0 到 255 共 256 28 个级别 DMX512 信号的同步头告诉接收设备 后面有 512 个字节 Byte 的串行数据发送过来 请做好接 收准备工作 对于调光系统 每一个字节数据表示每一路的调光亮度值 0 255 代表 0 100 的亮度 值 第一个字节表示第一路亮度值 第二个字节表示第二路亮度值 第 512 个字节表示第 512 路亮 度值 一个 DMX512 信号的最大控制回路为 512 路 可在 512 基础上复加成 1024 2048 回路等 并且 DMX512 标准还对每一部分的时间长度做出了明确的规定如表 2 2 所示 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 88881000000 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 MTBP 0没有规定1000000 s 2 52 5 信号的传输与设备的连接信号的传输与设备的连接 2 5 1 信号的传输及接口信号的传输及接口 DMX512 信号的传输采用平衡传输差模信号方式 这种方式能有效地抑制干扰 因为干扰信号一般 是同相 共模 加在信号的正负端上 经差分放大器后 共模信号被相互抵消 滤除了干扰信号 有效 地提高系统的抗干扰能力 DMX512 信号的电器接口标准为 EIA 485 接插件为 5 芯的 XLR 插头 插座 也有采用 3 芯 XLR 接口的 引脚定义如表 2 3 所示 11 表 2 3 引脚功能表 引脚功能 1信号地 屏蔽层 2信号 1 黑色 3信号 1 白色 4信号 2 绿色 5信号 2 红色 一般 DMX 设备使用了 1 2 3 三个引脚 有时为了实现信号的备份 如一个硅箱对应两个调光台 一主一备 则一路信号用 2 3 两脚 一路信号用 4 5 两脚 地线共用 还有的设备厂家 如换色器 的设备生产厂家 把 4 5 两脚用来给换色器的电机供电 有高压低压两种 2 5 2 DMX 设备之间的连接设备之间的连接 DMX 设备之间的连接方式如图 2 4 所示 控制台 信号分配器 OUT IN OUT DMX设备 OUT IN OUT DMX设备 OUT DMX设备 OUTIN IN 终端负载 图 2 4 DMX 设备的连接方式 设备之间的连接采用菊花链的形式 一般每个设备都有一个信号输入口和一个信号输出口 或称为 THRO 口 下一台设备的输入口接上一台设备的输出口 如此相互串接 一个 DMX512 输出口可以控制 512 个控制通道 但一般一条线路上只能驱动 32 台数字设备 假如接收端全部采用对信号衰减小的电路 来 接收信号 如采用 MAXIM 公司生产的 MAX487 集成电路来接收信号 那么一个 DMX 输出接口则能 驱动 128 台数字设备 通常设备较多时 需使用 DMX 信号放大器 另外 DMX 信号的传送距离在使用 标准电 缆的情况下约 300 米左右 超过此距离 应使用信号放大器 DMX512 信号的传输速率为 250kb s 为了消除信号传输中的杂波反射现象 在一个多台设备单元的 DMX 链路中 应在最后一台灯光设备的信号输出口接一个阻抗约为 120 0 25W 的终接负载 实现阻抗 12 匹配 有一些数字灯光设备本身有终端开关 这种设备若置于整个链路的末端 应将开关设置到允许的 位置 否则应扳到无效的位置 2 5 3 控制台及灯具的配接 地址码的设定控制台及灯具的配接 地址码的设定 DMX512 信号有着较为广泛的应用 硅箱的控制 电脑灯 换色器 512 信号控制电源的开关等 利 用 512 信号控制的设备很多 控台与灯具之间的配接及地址码的设定方式也不一样 1 数字调光台 将信号输出线与硅箱的输入口相连 各硅箱之间信号进行串接 根据各硅箱的回 路数 设定各硅箱 硅柜的起始地址码 数字调光台实际上就是电脑处理系统通过输入接口将推杆信息 如分控杆 集控杆 总控杆等 按键信息 如记录场 集控 效果等 收集起来进行处理 处理结果 通过输出接口转化为 DMX512 信号分别输出到相应的 DMX 信号输出口上 同时在显示器上显示出相应 内容 在硅箱的信号接收端 接收传送的 DMX512 信号各个通道的数值 0 256 经过 D A 转换 变换 为 0 10V 的电压控制可控硅的导通角 从而控制输出电压的高低 实现灯光亮度的调整 2 电脑灯控制台 设定地址码时 要考虑各个灯的通道数 比如说灯的通道数为 20 第一个灯的 起始地址码设为 1 则第二个灯的起始地址码应从 21 开始 也就是说一个电脑灯就占了 20 个通道 如果 地址码不重复 可根据需要设定两台同型号的灯为相同的地址码 控台的一个输出口只能控制 25 台这 样的电脑灯 当然 现在的许多控台 通道数已达到 2048 也就是说它有 4 个端口 每个端口 512 个通 道 灯具可以接在不同的输出口上 通道总数可达 2048 512 4 在演播厅的实际应用中 有时会遇到这样的情况 有些电脑灯有时要挂到灯杆或灯架上 有时又要 放到地上 而地上及灯杆上的信号分别连接了两个不同的 512 信号输出口 每次挂灯后重新分配地址码 及重新编程又比较麻烦 这种情况下 在控制台加载灯库进行配接时 以把要改变位置的电脑灯在两个 输出口上预设同样的地址码 这样灯具在改变位置时 可以不要再重新配接及改变地址码 电脑灯的控制原理与普通照明灯具不太一样 普通照明灯具是靠改变加到灯泡上的电压改变灯光的 亮度 而电脑灯灯泡的亮度是不变的 是靠改变光闸开闭的大小来改变亮度 改变颜色轮的位置来改变 颜色 通过图案轮的变化与旋转等来实现图案的变化与旋转 它们的变化都是由步进电机来带动的 所 以一个电 脑灯一般都要占用多个通道乃至二三十个通道 每个通道的数据值 0 255 控制一个步进电 机 有的控制灯光的亮度及频闪 有的改变颜色 有的改变图案等 经过灯光师巧妙的编排与应用 就 形成了丰富多彩的效果 3 换色器 换色器与电脑灯类似 也是由 512 信号通道的信号值来控制电机 让电机带动色纸定 位在不同的位置 实现颜色的变换 在地址码的设定中 换色器的地址码设定可能是重复最多的 我们 可以根据换色器及灯具的功能的相同与不同 将换色器进行分组 功能相同 需要同时换色的则设定成 同样的地址码 当然 调光硅箱及电脑灯中功能或用法完全相同的也可设定为同样的地址码 除了专用控台之外 还可以在普通电脑上安装灯光控制软件 通过内置输出卡或外置转接盒 如 13 USB TO DMX 转换器 输出 DMX 信号 达到控制硅箱 电脑灯及换色器等设备的目的 这与专用控制 台的原理是一致的 只不过没有专用控台的按键 推杆及滚轮等操作方便快捷 但应用于小型场合或作 为低成本的设备备份还是可行的 3 系统中的主控板与系统中的主控板与 PC 之间的通信之间的通信 不同的独立系统通过线路相互交换数据 便是通信 而构成整个通信的线路则称为网络 交换信息 的系统若为计算机系统 则称为计算机网络通信 通信的目的是进行数据交换 因为数据必须经过交换 才能由一端传送到另一端 发送端所使用的方法就是将数据通过一定的程序与线路发送出去 接收端则 按照协商好的方式将数据收集起来并保存或显示在画面上 一个完整的通信系统包括发送端 接收端 转换数据的接口及传送数据的实际信道或媒体 一般说 来 发送与接收的节点称为数据终端设备 Data Terminal Equipment DTE 如个人计算机 工作站或计 算机系统 数据在到达正确的目的地之前 可能需要经过一系列中间节点 这些中间节点负责数据的传 送工作 以送达目的地 这些中间节点称为数据交换设备 Data Switching Equipment DSE 如电信局 的交换机等 终端设备发送数据时 必须先将数据转换为电气信号 以便在线路上传递 而负责数据与 电气信号转换的设备称为数据通信设备 Data Communication Equipment DCE 如调制解调器 因此 计算机等 DTE 设备要通信时 必须先经过调制解调器将其转换为电气信号 才能送上电话线路 同样 信号由外界进入计算机时 也是先经过调制解调器将外界的电气信号进行转换 数据才会进入计算机 DTE 与 DCE 间的数据传输线路通常使用 RS 232 而 DCE 与 DSE 间的媒体则包括了双绞线 同轴电缆 光纤或无线电等 通信的方式有两种 并行通信 Parallel Communication 和串行通信 Serial Communication 所谓 的并行通信 即一次的传输量为 8 个位 1 个字节 而串行通信则是一次只传输 1 个位 也就是一个标 准电位的状态 两者之间的数据传输速度相差了 7 倍之多 但并不是说串行通信就不好 它之所以存在 这么久的时间 自然有它的长处 并行通信虽然可以在一次的数据传输中就传输 8 个位 但是因为数据 电压传输过程中 容易因线路的因素而使标准电位发生变化 最常见的是电压衰减问题 以及信号间互 相干扰问题 Cross Talk 因而使传输的数据发生错误 如果传输线比较长的话 电压衰减效应及互相 干扰问题会更加明显 数据的错误也会比较容易发生 相比之下 串行通信一次只传 1 个位 相对来说 处理的数据电压只有一个标准电位 因此不太容易把数据漏失 再加上一些防范措施 要漏失就更不容 易了 常见的串行通信以及本系统中所涉及到的通信方式为 RS 232 通信 3 13 1 RS 232RS 232 串行通信串行通信 RS 232 的通信端口是每台计算机上的必要配置 通常含有 COM1 与 COM2 两个端口 一般的计算机 14 将 COM1 以 9 引脚的接头接出 而以 25 引脚的接头将 COM2 接出 新一代的计算机均以 9 引脚的接头 接出所有的 RS 232 通信端口 串行通信可以分为同步 Synchronous 及异步 Asynchronous 两种模式 同步式在通信的两端使 用同步信号作为通信的依据 而异步式则使用起始位 Start Bit 和停止位 Stop Bit 作为通信的判断依 据 现在则是以使用异步传输较多 异步传输只要 9 个引脚就够了 其 9 脚的引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 RS 232 的 9 脚引脚图 9 个引脚的定义如表 3 1 所示 表 3 1 引脚编号及意义 引脚简写意义 引脚 1CD载波检测 Carrier Detect 引脚 2RXD接收字符 Receive 引脚 3TXD传送字符 Transmit 引脚 4DTR数据端备妥 Data Terminal Ready 引脚 5GND地线 Ground 引脚 6DSR数据备妥 Data Set Ready 引脚 7RTS请求传送 Request To Send 引脚 8CTS清除以传送 Clear To Send 引脚 9RI响铃检测 Ring Indicator RS 232 的每一个引脚都有其功能和信号流动的方向 最初的 RS 232 设计用来连接调制解调器进行传 输 因此它的引脚意义通常也和调制解调器传输有关 以下是这 9 个引脚的相关说明 CD 1 此引脚是由调制解调器控制 当电话接通后 传送的信号是载在载波信号上面 调制 解调器利用此引脚通知计算机有载波被检测到 即表示现在处于联机状态 而当载波被检测到 时才可保证此时是处于联机状态 一般若计算机未收到此信号 均会响应信息 并将调制解调 器挂断 RXD 2 此引脚会将远程所传送过来的数据接收进来 在接收的过程中 由于数据是以数字 形式传送 可以在调制解调器的 RXD 灯上看到明灭交错 此即为 0 1 交替所产生的现象 也 15 就是电压高低变化所产生的现象 TXD 3 此引脚将计算机所欲发送出去的数据发送出去 在发送的过程中 由于数据是以数 字形式传送 可以在调制解调器的 RXD 灯上看到明灭交错 此即为 0 1 交替所产生的现象 也就是电压高低变化所产生的现象 DTR 4 此引脚由计算机控制 用以通知调制解调器可以进行传输 高电位时表示计算机已 经准备就绪 随时可以接收数据 GND 5 此引脚为地线 作为计算机与调制解调器之间的标准电位参考 两端设备的地线标 准电位必须一样 否则会产生地回路 Ground Loop 使信号因标准电位的不同而产生便偏移 也会导致结果失常 RS 232 数据采用单接点 Single Ended 式的信号传输方式 其特点是信号 电压的标准电位乃是参考地线标准电位而来 因此传输双方的地线才必须连接在一起 以避免 标准电位不同而造成数据的错误 DSR 6 此引脚由调制解调器控制 调制解调器用这个引脚的高电位通知计算机一切均准备 就绪 可以传输数据过来 RTS 7 此引脚由计算机控制 用以通知调制解调器马上发送数据至计算机 而当调制解调 器收到此信号后 便会将它由电话线上收到的数据发送给计算机 在此之前若有数据传送至调 制解调器则会暂存在缓冲区中 CTS 8 此引脚由调制解调器控制 用以通知计算机将欲发送的数据送至调制解调器 当计 算机收到此引脚的信号 即将准备送出的数据送至调制解调器 而调制解调器则将计算机送过 来的数据由电话线路送出 RI 9 调制解调器通知计算机有电话进来 是否接听电话则由计算机决定 如果计算机设置 调制解调器为自动应答模式 则调制解调器在听到一定的铃响后即会自动接听电话 其引脚方向整理如表 3 2 所示 表 3 2 RS 232 引脚方向及意义 引脚方向说明 CD计算机 调制解调器调制解调器通知计算机有载波被检测到 RXD计算机调制解调器传送数据 DTR计算机 调制解调器计算机告诉调制解调器 可以进行传输 GND计算机 调制解调器地线 DSR计算机调制解调器计算机要求调制解调器将数据送出 CTS计算机 调制解调器调制解调器通知计算机可发送数据过来 RI计算机 调制解调器调制解调器通知计算机有电话进来 16 3 23 2 RS 232RS 232 串口通信的设计串口通信的设计 数据接收终端的工作参数通过 RS 232 串口设定 串口的通信参数固定为 9600 8 N 1 每次通 信由负责设定参数的计算机发出命令 数据接收终端接收命令 经处理后返回确认数据包 1 命令 Command 数据包格式如下表 3 1 命令 Command 数据包格式所示 表 3 1 命令 Command 数据包格式 BootCodeDataLengthCommandCommandParamCheckSum 1Byte2Byte1Byte长度随命令变化1Byte 其中 引导码 BootCode 占 1 个字节 固定为 0 xCC 包有效长度 DataLength 占 2 个字节 为 Command 和 CommandParam 两部分的总字节数 命令码 Command 占 1 个字节 为主机发给终端的命令代码 命令参数 CommandParam 各命令附带的参数 其长度随命令不同而变化 校验和 CheckSum 占 1 个字节 为从引导码 BootCode 到命令参数 CommandParam 所包 括的全部字节数据的总和 丢弃进位后的补码 2 应答 Answer 数据包格式如下表 3 2 应答 Command 数据包格式所示 表 3 2 应答 Command 数据包格式 BootCodeDataLengthErrCodeReturnDataCheckSum 1Byte2Byte1Byte长度随命令变化1Byte 其中 引导码 BootCode 占 1 个字节 应答数据包的引导码固定为 0 xAA 包有效长度 DataLength 占 2 个字节 为 ErrCode 和 ReturnData 两部分的总字节数 错误码 ErrCode 占 1 个字节 表示命令是否被正确执行 如果正确执行该字节的值为 0 否 则为错误代码 返回数据 ReturnData 执行命令后返回的结果数据 其长度随命令不同而不同 校验和 CheckSum 占 1 个字节 为从引导码 BootCode 到返回数据 ReturnData 所包括的全 部字节数据的总和 丢弃进位后的补码 3 命令类型 设定终端工作参数 从主机把工作参数发送到接收终端 读取终端工作参数 把接收终端中现有的工作参数读出来 上传到主机 向终端下载所管理采集器 ID 号 把受终端管理的所有采集器 ID 号从计算机下载到终端中 17 3 33 3 主控板与主控板与 PCPC 之间的串行异步通信接口电路之间的串行异步通信接口电路 主控板与 PC 间的通信接口电路如图 3 2 所示 图 3 2 主控板与 PC 间的通信接口电路 在简单的 RS 232 直接传送通信系统中 只要发送和接收双方同时准备好 仅用信号发送端 TXD 信号接收端 RXD 和信号地 GND 三根线即可进行通信 在 AT89C52 单片机系统中 分别从引脚 RXD P3 0 串行数据接收端 和引脚 TXD P3 1 串行数据发送端 引出串口线 RXD 和 TXD 通过专 用的电平转换芯片 MAX232 把 TTL 电平转换成 RS 232 接口标准的电平 这样 就可以实现通过 RS 232 接口进行数字信号的传送 本系统串行通信采用异步通信方式 其协议为一帧数据由 1 位起始位 8 位数据位 无奇偶校验位 1 位停止位共 10 位组成 单片机串行口按方式 1 工作 波特率由定时器 T1 的溢出率和串口控制寄存器 SMOD 的状态确定 这里选择的晶振为 11 0592MHZ 波特率为 9600bps 方式 1 在直接传送下的程序 由于没有使用通信握手 所以通信双方都应做好准备 在计算机接收 单片机发送时 由计算机先发送字母 R 通知单片机计算机已经准备好 然后计算机在事件驱动 I 0 方 式下等待接收到字符 Y 当单片机接收到 R 时 向计算机发送 Y 表示单片机也已经准备好 这样 一旦计算机接收到 Y 就表示双方都已经准备好 二者之间就可以进行数据交换了 18 4 灯光控制系统的分析与设计灯光控制系统的分析与设计 4 14 1 系统设计思想系统设计思想 为了实现对于灯光系统的远程控制 为了对远程的灯光进行实时的管理 对于现场的灯光需要进行 实时调度 需要设计一个上位机的控制软件 一个下位机的简单主控设备 还有多个下位机的控制终端 它们之间可以相互通信 远程的灯光系统既可以在上位机设计好的程序控制下自己正常运行 也可以在 上位机人为的控制下进行一些实时的调整 上位机与下位机的简单主控设备之间通过 RS 232 总线进行通信 简单主控设备与控制终端之间有多 种通信方式可供选择 本文主要讨论两种 一种是以 485 总线直接进行通信 另一种是先通过一个光端 机然后再通过光纤进行通信 下面将详细介绍系统功能及终端任务等 4 24 2 系统框图及功能系统框图及功能 由以上设计思想分析可得灯光控制系统由三部分组成 如图 4 1 方案 1 和 4 2 方案 2 系统组成框图所 示 1 计算机 软件控制 负责进行总体的宏观协调控制下位机终端 2 简单主控制设备 负责与上位软件进行通信 还负责控制下位机的控制终端 3 控制终端 负责对被控设备进行控制 还有接受简单主控制设备发来的控制信号进行实时的控 制调整 计算机 软件控制 简单主控制设备 控制终端 1 控制终端 2 控制终端 N 控制终端 3 485 总线 被控设备 被控设备 被控设备 被控设备 被控设备 232 总线 19 图 4 1 控制距离在 1000M 内 系统组成框图 20 图 4 2 控制距离超过 1000M 系统组成框 4 34 3 主控制设备主控制设备 如图 4 3 所示为主控制设备的模块框图 图 4 3 主控制设备模块框图 主控制设备等于上位机软件加简单主控制设备 主控制设备集成了计算机上的控制软件和简单主控 制设备的所有功能 可以不要计算机 直接控制终端 计算机 软件控制 简单主控制设备 控制终端 1 控制终端 2 控制终端 N 控制终端 3 485 总线 光端机 光端机 光端机 光端机 光端机 光端机 232 总线 光纤 RS232 模块 RS485 模块 显示模块键盘模块主控制模块 通信方式转换模块 通信电平转换模块 21 4 44 4 系统设计原理图系统设计原理图 本系统设计的整个电路原理图如图 4 4 所示 整个电路又分为复位电路 主控板 从控板 步进电机 通信模块这几个部分 每个功能模块的具体功能及其介绍将在下文详细给出 图 4 4 系统设计原理图 5 主控板与从控板上的硬件设计主控板与从控板上的硬件设计 5 15 1 单片机的选型单片机的选型 单片机主要作用是对系统其他部分的控制和实现相互间的数据通信 所以单片机的选型相对比较简 单 只要与其他部件接口简单 实现容易即可 现在流行的单片机有 MCS 51 系列等等 如 8031 8051 80C31 87C51 89C51 AT89C52 相同点它们都具有 I O 接口 中断源 定时 计数器 晶体振荡器 典型指令周期 40 脚封装 DIP 不同点简单整理如下 1 8031 片内不带程序存储器 ROM 使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路 373 外接的 程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列 用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修改 必须先用一种特 殊的紫外线灯将其照射擦除 之后方才再可写入 而且写入到外接程序存储器中的程序代码没有什么保 22 密性可言 2 8051 内有 4k ROM 无须外接外存储器和 373 更能体现 单片 的简练 但是所编写的程序 无法烧写到其 ROM 中 只有将程序交芯片厂商代替帮忙烧写 并是一次性的 今后用户和芯片厂商都不 能改写其内容 显然不能够满足系统的要求 3 AT89C52 它不但和 8051 指令 管脚完全兼容 而且其片内的 8K 程序存储器是 FLASH 工艺 的 这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除 改写 显而易见 这种单片机对开发设备的要求 很低 开发时间也大大缩短 写入单片机内的程序还可以进行加密 这又很好地保护了用户的劳动成果 因此这里选用它作为本系统的单片机 5 25 2 AT89C52AT89C52 的功能特性的功能特性 AT89C52 提供以下标准功能 8k 字节 Flash 闪速存储器 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 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 AT89C52 可降至 0Hz 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 CPU 的工作 但 允许 RAM 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 RAM 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 AT89C52 的引脚图如图 5 1 所示 图 5 1 AT89C52 的引脚图 引脚功能说明 VCC 电源电压 GND 地 P0 口 P0 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 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端 23 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 Flash 编程时 P0 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 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 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 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电 流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 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 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX IIL DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址 和一些控制信号 P3 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电 流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 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 P3 口将用上拉电阻输出电流 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 IIL 更重要的用途是它的第二功能 如表 5 1 所示 此外 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编 程和程序校验的控制信号 表 5 1 P3 口的第二功能 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 外中断 0 0INT P3 3 外中断 1 1INT P3 4T0 定时 计数器 0 P3 5T1 定时 计数器 1 P3 6 外部数据存储写选通 WR 24 P3 7 外部数据存储读选通 RD RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位 ALE 当访问外部程序存储器数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于锁存PROG 地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 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 ALE 脉 冲 程序储存允许 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部PSENPSEN 程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次有效 即输出两个脉冲 在此期间 PSEN 当访问外部数据储器 将跳过两次信号 PSEN VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH 端EAEA 必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 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 5 35 3 主控板电路原理图主控板电路原理图 在本系统中 主控板用于对从控板上的 LED 灯进行有效控制 其电路原理图如图 5 2 所示 图 5 2 主控板电路实现原理图 25 主控板上单片机的 18 19 管脚接分别两个 20PF 的电容 电容的另一端接地 并且在 18 19 管脚的 中间接一个频率为 11 0592 的晶振 这部分电路用于让单片机计数 单片机的 9