引言
灯光控制系统大量采用了由USIT T ( 美国剧场技术协会) 提出的DMX512 通信协议, 该通信协议采用异步通信格式。灯具控制方案主要包括DMX512 协议、DAL I 总线方案、SPI 移位总线方案。DMX512 是现在最流行的控制方法, 但是在实际应用中多采用控制器互联来进行控制的照明方案, 软件比较复杂。DALI 总线是欧洲提出的一种灯光控制总线方案, DALI 系统中每个灯具都有一个地址和一组控制命令, 但其通信的速度不够快。SPI 移位总线方案是采用级联的方法, 变化速率很高, 但是此方法数据量比较大, 灯之间的线较多, 软件难度大, 产品可靠性差。
DMX512 标准要求每个灯具都要有一个控制器, 而每个灯都要设置地址很麻烦, 异步传输方式也很麻烦。针对此缺点, 本文提出了基于SD5128 的同步DMX512 的LED控制系统设计。本文给出了同步DMX512 实现的软硬件设计方法, 在硬件上增加了存储接口芯片以实现灯光控制数据的移动存储, 具有更好的拓展性。同步DMX512 是采用同步DMX512 总线( 用一根线实现控制数据的移位和置入) 的同步串行传输的方式, 吸取了DMX512 和SPI 移位总线两者的优点。同步DMX512 在电气特性、数据结构方面与DMX512 协议大致相同, 采用同步传输的方法来进行两线移位传输, 并且采取了SPI 一位传输的方法来避免DMX512 协议的地址设置问题。同步DMX512 保留了DMX512 的电气特性,故在灯与灯之间的距离不是很远的情况下, 不使用RS485总线。
1 DMX512 灯光控制协议
DMX512 协议是一个数字调光协议, 应用它能够对舞台、剧场、演播室等场所的调光器以及其他的控制设备进行数字控制, 适用于一点对多点的主从控制。其互联形式采用了多点总线结构, 不存在信息通路阻塞问题, 可靠性较高。
协议规定控制信号数据包的传输通过异步通信的方式进行。一个DMX512 数据包包含起始码和512 个数据帧。每一帧数据包括1 位低电平起始位、8 位数据位、2 位高电平停止位。一个数据帧代表一个控制通道, 因此该协议支持512 个控制通道。DMX512 协议的帧结构与数据包结构如图1 所示。
2 SD5128 及其同步DMX512 协议
SD5128 是高集成度低功耗LED 控制芯片。它采用的单线传输模式, 内置采样/ 时钟再生电路、数字锁相电路、移位寄存器、脉宽调制模块, 级联能力超过1024 颗芯片; 提供3 个I/ O 通道, 每通道最大8 mA 输出电流, 采用外置驱动的工作模式, 可驱动三极管和MOS 管。SD5128 采用24 位真彩色( 8R+ 8G+ 8B) , 结合DMX512协议数据格式, SD5128 的帧结构与数据包结构如图2所示。
图2 中, 数据帧和结束符都是高位先移入, 每个数据位在时钟的上升沿被采样, 下降沿被打出; 第一个数据帧对应距移入端最近的LED 灯, N 表示芯片数量。结束符= 1 位'"0"+ 24 位" 1" , 但在实际编程中, 按字节发送1 位的"0" 和31 位的"1" , 所以结束符实际为" 0x7FFFFFFF"。
对比图1 与图2, 可以发现SD5128 的帧结构和数据包结构比DMX512 更简洁。SD5128 帧结构没有起始位和停止位, 数据位从8 位增加到24 位( 8R+ 8G+ 8B) ;SD5128 的数据包包括24 N 位数据( 即N 帧数据) 和1个结束符, 没有DMX512 的MTBP 位、BREAK 位、MAB位、SC 位。更简洁的数据结构对实现快速的同步DMX512 协议有很大的作用, SD5128 的单线级联移位串行控制使控制系统更加简洁, 接线更加简单。
SD5128 的级联方式能实现多像素点控制, 每个SD5128 控制一个LED 像素点, 级联方式如图3 所示。
3 LED 控制系统设计
3. 1硬件设计
硬件结构如图4 所示。相比传统的DMX512 主从控制模式要简单很多, 只有一个主控制器( MCU) 、级联的SD5128 芯片和存储DMX512 数据文件的USB 接口芯片。
SD5128 与RGB LED 灯的连接方式如图5 所示。可以实现单色256 个灰度变化以及2 563 种混合颜色变化,达到更好的混色效果。
USB 接口选择南京沁恒电子公司研发的USB 接口芯片CH 375, 采用被动并行接口方式。CH375 工作在主机方式下, 主要实现单片机读U 盘功能以及对灯光数据的移动控制, 增强了可拓展性和易用性。CH375 与MCU 的接口电路如图6 所示, CH 375 的D0~ D7 与MCU 的P1总线相连。
3. 2软件设计
MCU 通过读取U 盘中存储的灯光控制文件来实现对LED 灯的控制。U 盘中可以存放多个文件, 且每个文件都是一组数据的组合, 并以文件名区分和识别。CH 375提供了U 盘文件级子程序库, MCU 可以直接调用子程序库读写U 盘中的灯光控制数据, 无需考虑文件系统, 这不仅降低了研究难度, 而且也降低了综合开发成本。主程序流程如图7 所示。
当确定U 盘插入时, 先搜索U 盘里指定文件的个数,再读取指定的文件, 判断该文件的大小, 打开文件并发送一组控制数据。当一组控制数据的末尾是0x7FFFFFFF时, 说明是一组控制数据的结束符, 再发送下一组控制数据, 直到文件中数据发送完为止, 关闭文件并打开下一个文件。这样, U 盘中多个文件可以组合成绚丽的控制效果。
结 语
传统DMX512 协议采用多控制器互联的控制方法,较为复杂。本文采用基于SD5128 的同步DMX512 实现LED 系统的控制, 用单个控制器来实现DMX512 协议, 不仅让控制系统更加简单, 而且使用U 盘存储灯光控制数据能够极大地方便用户。
