同步DMX512標準在LED控制系統設計中的應用

燈光控制系統大量采用了由USIT T ( 美國劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì )) 提出的DMX512 通信協(xié)議，該通信協(xié)議采用異步通信格式。燈具控制方案主要包括DMX512 協(xié)議、DAL I 總線(xiàn)方案、SPI 移位總線(xiàn)方案。DMX512 是現在最流行的控制方法，但是在實(shí)際應用中多采用控制器互聯(lián)來(lái)進(jìn)行控制的照明方案，軟件比較復雜。

DALI 總線(xiàn)是歐洲提出的一種燈光控制總線(xiàn)方案，DALI 系統中每個(gè)燈具都有一個(gè)地址和一組控制命令，但其通信的速度不夠快。SPI 移位總線(xiàn)方案是采用級聯(lián)的方法，變化速率很高，但是此方法數據量比較大，燈之間的線(xiàn)較多，軟件難度大，產(chǎn)品可靠性差。

DMX512 標準要求每個(gè)燈具都要有一個(gè)控制器，而每個(gè)燈都要設置地址很麻煩，異步傳輸方式也很麻煩。針對此缺點(diǎn)，本文提出了基于SD5128 的同步DMX512 的LED控制系統設計。本文給出了同步DMX512 實(shí)現的軟硬件設計方法，在硬件上增加了存儲接口芯片以實(shí)現燈光控制數據的移動(dòng)存儲，具有更好的拓展性。

同步DMX512 是采用同步DMX512 總線(xiàn)( 用一根線(xiàn)實(shí)現控制數據的移位和置入) 的同步串行傳輸的方式，吸取了DMX512 和SPI 移位總線(xiàn)兩者的優(yōu)點(diǎn)。同步DMX512 在電氣特性、數據結構方面與DMX512 協(xié)議大致相同，采用同步傳輸的方法來(lái)進(jìn)行兩線(xiàn)移位傳輸，并且采取了SPI 一位傳輸的方法來(lái)避免DMX512 協(xié)議的地址設置問(wèn)題。同步DMX512 保留了DMX512 的電氣特性，故在燈與燈之間的距離不是很遠的情況下，不使用RS485總線(xiàn)。

1　DMX512 燈光控制協(xié)議

DMX512 協(xié)議是一個(gè)數字調光協(xié)議，應用它能夠對舞臺、劇場(chǎng)、演播室等場(chǎng)所的調光器以及其他的控制設備進(jìn)行數字控制，適用于一點(diǎn)對多點(diǎn)的主從控制。其互聯(lián)形式采用了多點(diǎn)總線(xiàn)結構，不存在信息通路阻塞問(wèn)題，可靠性較高。

協(xié)議規定控制信號數據包的傳輸通過(guò)異步通信的方式進(jìn)行。一個(gè)DMX512 數據包包含起始碼和512 個(gè)數據幀。每一幀數據包括1 位低電平起始位、8 位數據位、2 位高電平停止位。一個(gè)數據幀代表一個(gè)控制通道，因此該協(xié)議支持512 個(gè)控制通道。DMX512 協(xié)議的幀結構與數據包結構如圖1 所示。

2　SD5128 及其同步DMX512 協(xié)議

SD5128 是高集成度低功耗LED 控制芯片。它采用的單線(xiàn)傳輸模式，內置采樣/ 時(shí)鐘再生電路、數字鎖相電路、移位寄存器、脈寬調制模塊，級聯(lián)能力超過(guò)1024 顆芯片;提供3 個(gè)I/ O 通道，每通道最大8 mA 輸出電流，采用外置驅動(dòng)的工作模式，可驅動(dòng)三極管和MOS 管。SD5128 采用24 位真彩色( 8R+ 8G+ 8B) ，結合DMX512協(xié)議數據格式，SD5128 的幀結構與數據包結構如圖2所示。

圖2 中，數據幀和結束符都是高位先移入，每個(gè)數據位在時(shí)鐘的上升沿被采樣，下降沿被打出;第一個(gè)數據幀對應距移入端最近的LED 燈，N 表示芯片數量。結束符= 1 位“0”+ 24 位“1”，但在實(shí)際編程中，按字節發(fā)送1 位的“0”和31 位的“1”，所以結束符實(shí)際為“0x7FFFFFFF”。對比圖1 與圖2，可以發(fā)現SD5128 的幀結構和數據包結構比DMX512 更簡(jiǎn)潔。SD5128 幀結構沒(méi)有起始位和停止位，數據位從8 位增加到24 位( 8R+ 8G+ 8B);SD5128 的數據包包括24　N 位數據( 即N 幀數據) 和1個(gè)結束符，沒(méi)有DMX512 的MTBP 位、BREAK 位、MAB位、SC 位。更簡(jiǎn)潔的數據結構對實(shí)現快速的同步DMX512 協(xié)議有很大的作用，SD5128 的單線(xiàn)級聯(lián)移位串行控制使控制系統更加簡(jiǎn)潔，接線(xiàn)更加簡(jiǎn)單。

SD5128 的級聯(lián)方式能實(shí)現多像素點(diǎn)控制，每個(gè)SD5128 控制一個(gè)LED 像素點(diǎn)，級聯(lián)方式如圖3 所示。

3　LED 控制系統設計

3. 1　硬件設計

硬件結構如圖4 所示。相比傳統的DMX512 主從控制模式要簡(jiǎn)單很多，只有一個(gè)主控制器( MCU) 、級聯(lián)的SD5128 芯片和存儲DMX512 數據文件的USB 接口芯片。SD5128 與RGB LED 燈的連接方式如圖5 所示?？梢詫?shí)現單色256 個(gè)灰度變化以及2563 種混合顏色變化，達到更好的混色效果。

USB 接口選擇南京沁恒電子公司研發(fā)的USB 接口芯片CH 375，采用被動(dòng)并行接口方式。CH375 工作在主機方式下，主要實(shí)現單片機讀U 盤(pán)功能以及對燈光數據的移動(dòng)控制，增強了可拓展性和易用性。CH375 與MCU 的接口電路如圖6 所示，CH 375 的D0~ D7 與MCU 的P1總線(xiàn)相連。

3. 2　軟件設計

MCU 通過(guò)讀取U 盤(pán)中存儲的燈光控制文件來(lái)實(shí)現對LED 燈的控制。U 盤(pán)中可以存放多個(gè)文件，且每個(gè)文件都是一組數據的組合，并以文件名區分和識別。

CH 375提供了U 盤(pán)文件級子程序庫，MCU 可以直接調用子程序庫讀寫(xiě)U 盤(pán)中的燈光控制數據，無(wú)需考慮文件系統，這不僅降低了研究難度，而且也降低了綜合開(kāi)發(fā)成本。主程序流程如圖7 所示。

當確定U 盤(pán)插入時(shí)，先搜索U 盤(pán)里指定文件的個(gè)數，再讀取指定的文件，判斷該文件的大小，打開(kāi)文件并發(fā)送一組控制數據。當一組控制數據的末尾是0x7FFFFFFF時(shí)，說(shuō)明是一組控制數據的結束符，再發(fā)送下一組控制數據，直到文件中數據發(fā)送完為止，關(guān)閉文件并打開(kāi)下一個(gè)文件。這樣，U 盤(pán)中多個(gè)文件可以組合成絢麗的控制效果。

結 語(yǔ)

傳統DMX512 協(xié)議采用多控制器互聯(lián)的控制方法，較為復雜。

本文采用基于SD5128 的同步DMX512 實(shí)現LED 系統的控制，用單個(gè)控制器來(lái)實(shí)現DMX512 協(xié)議，不僅讓控制系統更加簡(jiǎn)單，而且使用U 盤(pán)存儲燈光控制數據能夠極大地方便用戶(hù)。