X25045在舞臺燈光換色器設計中的應用

　　摘要：燈光換色器舞臺上常用的燈光設備。本文詳細介紹一種采用AT89C2051單片機設計的新型換色器。首先，簡(jiǎn)述換色器的工作原理及基使用的DMX512通信協(xié)議。然后，詳細介紹E2PROM芯片X25045的使用。最后，給出X25045的接口設計。

    關(guān)鍵詞：換色器 AT89C2051 DMX512協(xié)議 X25045

引言

　　舞臺燈光效果設計是舞臺場(chǎng)景設計的重要組成部分。目前國內使用的各種新型燈光設備，如換色器、調光器、電腦燈等大多是從國外進(jìn)口，國內幾乎沒(méi)有生產(chǎn)。為此，我們應國內某舞臺燈不設備廠(chǎng)的要求設計了一種以AT89C2051單片機為控制器的新型舞臺燈光換色器HSQ-1A。該換色器可變換8種色彩，換色精度高，工作可靠。使用時(shí)，舞臺上所有的換色器和總控制臺根據RS-485協(xié)議連成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；總控制臺作為主機通過(guò)總線(xiàn)發(fā)布命令，控制所有換色器的工作。以下介紹換色器的工作原理及設計方案。

一、系統結構和工作原理

　　換色器由一個(gè)中空的框架、兩根卷軸以及各色透光薄膜組成。制作時(shí)，首先將不同顏色的透光膜連接成條幅，并在條幅的兩端安上卷軸。然后用卷軸將條幅卷起，以活動(dòng)的方式把卷軸安裝在框架的兩側。使用時(shí)，把換色器放在白色光源前方，轉動(dòng)兩根卷切換不同顏色的透光膜，從而產(chǎn)生不同顏色的燈光效果。這種不換光源只換透光膜的換色方案，與更換不同顏色光源的方案相比，雖然換色速度較慢，但成本低，可靠性高。因此，換色器在換色頻度低的場(chǎng)合中應用很廣。

　　在換色器的設計中，重點(diǎn)在于卷軸的驅動(dòng)和定位機構的設計。過(guò)去，采用的交流電機和光電碼盤(pán)實(shí)現方式，運行噪聲大、定位精度差，在實(shí)際使用中效果不理想?，F在，在新?lián)Q色器中選用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)和定位機構，徹底解決了以上問(wèn)題。換色器工作時(shí)運行平穩、噪聲小、定位精度高，完全達到了設計要求。

    總控制臺與換色器之間的通信使用DMX512數據傳輸協(xié)議。DMX512協(xié)議是美國舞臺燈光協(xié)會(huì )（USITT）于1990年發(fā)布的一種燈光控制器與燈具設備進(jìn)行數據傳輸的標準。這包括電氣特性、數據協(xié)議、數據格式等各方面的內容。

　　DMX512電氣特性與RS-485完全兼容，包括驅動(dòng)器/接收器的選擇、線(xiàn)路負載和多站配置等方面的要求都是一致的。

　　DMX512數據協(xié)議規定使用250Kbps的波特率。在進(jìn)行正常數據傳輸之前，發(fā)送1個(gè)復位信號，聲明數據傳輸的開(kāi)始。隨后的第1幀數據稱(chēng)為起始代碼，其中包含設備類(lèi)型碼，以指明后續數據的接收設備的類(lèi)型。最后，按設備編號的順序給每個(gè)設備發(fā)送1幀數據，依次為：1#設備數據幀、2#設備數據幀，直至最后一個(gè)設備。設備總數最多可達512個(gè)，數據幀間隔為高電平，最長(cháng)不超過(guò)1s。

　　DMX512數據格式規定，1幀數據長(cháng)度為11位。按傳送順序說(shuō)明如下：

　　第1位——起始位，低電平（SPACE）；

　　第2～9位——數據位，從最低位到最高位（LSB～MSB），正邏輯；

　　第10、11位——停止位，高電平（MARK）；

　　奇偶校驗位——不傳送。

二、硬件電路

換色器硬件電路如圖1所示：

　　ULN2003A是內含7個(gè)達林頓管的驅動(dòng)芯片，輸入電壓與TTL電平兼容。每個(gè)上達林頓管的集電極可吸收最大500mA的電流，耐壓30V，因此可以用來(lái)驅動(dòng)四相步進(jìn)電機。

　　74LS125三態(tài)門(mén)用于控制電機的工作方式。電機正常工作時(shí)，74LS125處于導通狀態(tài)，兩個(gè)電機可以同方向、同步轉動(dòng)；電機復位時(shí)，三態(tài)門(mén)阻斷，只有一個(gè)電機可以轉動(dòng)。

　　MAX1487用于驅動(dòng)/接收RS-485信號。其接收器的輸入阻抗只有1/4個(gè)單位負載，最多可連接128個(gè)通信設備。另外，MAX1487的傳輸信號變化沿沒(méi)有限制斜率，所以最高數據傳輸可達2.5Mbps。

三、X25045介紹

　　在采用DMX512協(xié)議通信時(shí)，換色器的編號用于從總控制臺發(fā)送的數據包中選擇發(fā)給本設備的數據幀。正常工作時(shí)，編號數據不會(huì )掉電丟失，而且必要時(shí)編號還可修改。因此采用XICOR公司的串行E2PROM器件X25045對編號數據進(jìn)行存儲。

　　X25045是帶有串行E2PROM的CPU監控器。圖2是它的引腳圖：

　　S/WDI：片選輸入/看門(mén)狗復位輸入；

　　SO：串行輸出；

　　WP：寫(xiě)保護輸入；

　　Vss：地；

　　Vcc：電源；

　　RESET：復位輸出；

　　SCK：同步時(shí)鐘輸入；

　　SI：串行輸入。{{分頁(yè)}}

　　X25045的狀態(tài)寄存器描述器件的當前狀態(tài)，各位意義如表1所列。

表1

　　其中，WD1、WD0是看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間設置位；BL1、BL0是存儲單元寫(xiě)保護區設置位；WEL是只讀標志，1表明寫(xiě)使能開(kāi)關(guān)打開(kāi)；WIP也是只讀標志，1代表芯片內部正處于寫(xiě)周期。電復位時(shí)，各位都被清零。

X25045芯片功能包括以下4種：

　?。?）上電復位控制。在對X25045通電時(shí)，ERSET引腳輸出有效的復位信號，并保持至少200ms，使CPU有效復位。

　?。?）電源電壓監控。當檢測到電源電壓低于內部門(mén)檻電壓VTRIP時(shí)，RESET輸出復位信號，直至電源電壓高于VTRIP并保持至少200ms，復位信號才被撤消。VTRIP的出廠(chǎng)值根據芯片型號不同共有5個(gè)級別的電壓范圍。對于需要電源電壓精確監控的應用，用戶(hù)可以搭建編程電路，對芯片內VTRIP電壓進(jìn)行微調。

　?。?）看門(mén)狗定時(shí)器。芯片內部狀態(tài)寄存器的WD1、WD0是看門(mén)狗定時(shí)設置位，通過(guò)狀態(tài)寄存器寫(xiě)指令WRSR修改這2個(gè)標志位，就能在3種定時(shí)間隔中進(jìn)行選擇或關(guān)閉定時(shí)器。對看門(mén)狗的復位由CS輸入電平的下降沿完成。表2是WD1、WD0組合的含義。

表2

　?。?）串行E2PROM。芯片內含512字節存儲單元，10萬(wàn)次可靠寫(xiě)，數據保持時(shí)間100年。XICOR設計了3種保護方式防止誤寫(xiě)。包括：WP寫(xiě)保護引腳，當引腳被拉低時(shí)，內部存儲單元狀態(tài)寄存器都禁止寫(xiě)入；存儲區域寫(xiě)保護模式，通過(guò)對狀態(tài)寄存器的BL1、BL0位的設置，可以選擇對不同的存儲區域進(jìn)行寫(xiě)保護；在進(jìn)行任何寫(xiě)操作前都必須打開(kāi)寫(xiě)使能開(kāi)關(guān)，而且在上電初始化寫(xiě)操作完成時(shí)，寫(xiě)使能開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉。顯然，在幾方面的保護之下，產(chǎn)生誤寫(xiě)的可能性極小，表3是BL1、BL0組合的含義。

表3

　　對X25045的操作是通過(guò)4根口線(xiàn)CS、SCK、SI和SO進(jìn)行同步串行通信來(lái)完成的。SCK是外部輸入的同步時(shí)鐘信號。在對芯片定改指令或數據時(shí)，時(shí)鐘前沿將SI引腳信號輸入；在讀郵數據時(shí)，時(shí)鐘后沿將數據位輸出到SO引腳上。數據的輸入/輸出都是高位在先。

芯片內部共有6條指令，如表4所列。

表4

　?。?）WREN和WRDI是寫(xiě)使能開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)指令。它們都是單字節指令。

　?。?）RDSR和WRSR是狀態(tài)寄存器的讀/寫(xiě)指令。在從SI輸入指令后，RDSR的執行結果，即狀態(tài)寄存器內容須從SO讀出；而WRSR需要緊接著(zhù)輸入修改數據。

　?。?）READ和WEITE是存儲單元的讀/寫(xiě)指令。輸入指令后（指令碼第三代表存儲單元地址的最高位），接著(zhù)輸入低八位地址，最后就可以連續讀出或寫(xiě)入數據。其中，讀指針和寫(xiě)指針的工作方式完全不同，讀指針的全部8位用來(lái)計數，0FFH溢出后變成00H；寫(xiě)指針只用最低兩位計數，XXXXXX11B溢出后變成XXXX XX00B，所以連續寫(xiě)的實(shí)際結果是在4個(gè)單元中反復寫(xiě)入。另外，由于E2PROM的寫(xiě)入時(shí)間長(cháng)，所以在連續兩條寫(xiě)指令之間應讀取WIP狀態(tài)，只有內部寫(xiě)周期結束時(shí)才可輸入下一條寫(xiě)指令。

　　AT89C2051內部沒(méi)有SPI接口硬件，因此本系統利用了單片機的4根口線(xiàn)和軟件模擬讀寫(xiě)時(shí)序的方式與X25045通信。軟件包在文末給出。

四、軟件原理

　　系統程序包括主程序和串口通信斷服務(wù)程序。主程序首先從X25045中取出本設備編號備用，然后進(jìn)入循環(huán)。特環(huán)程序的主要任務(wù)包括：①檢測換色標志，當換色標志有效時(shí)，則調用步進(jìn)電機驅動(dòng)程序控制轉抽，將換色器切換到新顏色；②幀間隔1s延時(shí)，當時(shí)間到時(shí)，中斷程序將復位串口接收程序；③定時(shí)復位X25045的看門(mén)狗。

　　通信中斷服務(wù)程序用于檢測RS-485總線(xiàn)發(fā)送的復位信號和起始代碼。當兩者同時(shí)有效時(shí)開(kāi)始對后續接收的數據幀進(jìn)行幀計數。當計數值與設備編號相同時(shí)，說(shuō)明當前幀是給本設備的數據，于是根據該數據設置換色標志，由主程序執行換色動(dòng)作。

X25045的通信接口軟件：

CS BIT P3.2

SCK BIT P3.3

SI BIT P3.4

SO BIT P3.5

（1）X25045數據寫(xiě)入程序

功能：將緩沖區數據寫(xiě)入指定地址開(kāi)始的單元。

入口：F0、R3是E2PROM單元地址最高位低八位；R0是緩沖區首地址；R2是緩沖區長(cháng)度。

WRITEX：LCALL STAX ；指令啟動(dòng)

MOV A，#06H ；輸出WREN

LCALL BYTE_OUT

LCALL STAX ；下一指令啟動(dòng)

MOV A，#02H ；輸出WRITE

MOV C，F0 ；插入單元地址最高位

MOV ACC.3，C

LCALL BYTE_OUT

MOV A，R3 ；輸出單元地址低八位

LCALL BYTE_OUT

BYWR：MOV A，@R0 ；從緩沖區取數輸出

LCALL BYTE_OUT

INC R0 ；指針加1

DJNZ R2，BYWR ；緩沖區未空則繼續輸出

LCALL ENDX ；指令結束

LCALL WIP_CHK ；等待WIP=0

RET

（2）X25045數據讀出程序

功能：把指定地址開(kāi)始的單元數據讀出并放入緩沖區

入口：與寫(xiě)入程序相同。{{分頁(yè)}}

READX：LCALL STAX

MOV A，#03H ；輸出READ

MOV C，F0

MOV ACC.3，C

LCALL BYTE_OUT

MOV A，R3 ；輸出低八位地址

LCALL BYTE_OUT

BYRD：LCALL BYTE_IN ；輸入數據送入緩沖區

MOV @R0，A

INC R0 ；指針加1

DJNZ R2，BYRD ；緩沖區未滿(mǎn)則繼續輸入

LCALL ENDX

RET

（3）X25045狀態(tài)寄存器寫(xiě)入程序

功能：對狀態(tài)寄存器進(jìn)行設置。

入口：ACC是修改值。

WRSR：LCALL STAX

PUSH ACC

MOV A，#06H ；輸出WREN

LCALL BYTE_OUT

LCALL STAX

MOV A，#01H ；輸出WRSR

LCALL BYTE_OUT

POP ACC ；輸出設置值

LCALL BYTE_OUT

LCALL ENDX

LCALL WIP_CHK ；等待WIP=0

RET

（4）X25045狀態(tài)寄存器讀出程序

功能：讀出狀態(tài)寄存器當前值。

出口：ACC是當前值。

RDSR：LCALL STAX

MOV A，#05H

LCALL BYTE_OUT

LCALL BYTE_IN

LCAL ENDX

RET

（5）其他子程序

WIP_CHK：LCALL RDSR ；等待X25045結束內部寫(xiě)周期

JB ACC.0，WIP_CHK

RET

STAX：SETB CS ；啟動(dòng)X(jué)25045指令

NOP ；先拉高CS，再拉你SCK，最后拉低CS

CLR SCK

NOP

CLR CS

NOP

RET

ENDX：CLR SCK ；結束X25045指令

SETB CS ；先拉低SCK后拉高CS

NOP

NOP

RET

BYTE_OUT：MOV R4，#08H ；向X25045寫(xiě)入一字節數據

BOUT1：CLR SCK

RLC A

MOV SI，C

SETB SCK

NOP

NOP

DJNZ R4，BOUT1

RET

BYTE_IN：MOV R4，#08H ；從X25045讀出一字節數據

BIN1：CLR SCK

MOV C，SO

RLC A

SETB SCK

NOP

NOP

DJNZ R4，BIN1

RET

RST_DOG：SETB CS ；復位看門(mén)狗定時(shí)器

NOP

CLR CS

NOP

SETB CS

RET