同步DMX512標(biāo)準(zhǔn)在LED控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

燈光控制系統(tǒng)大量采用了由USIT T ( 美國(guó)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 總線方案、SPI 移位總線方案。DMX512 是現(xiàn)在最流行的控制方法，但是在實(shí)際應(yīng)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(fù)雜。

DALI 總線是歐洲提出的一種燈光控制總線方案，DALI 系統(tǒng)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 移位總線方案是采用級(jí)聯(lián)的方法，變化速率很高，但是此方法數(shù)據(jù)量比較大，燈之間的線較多，軟件難度大，產(chǎn)品可靠性差。

DMX512 標(biāo)準(zhǔn)要求每個(gè)燈具都要有一個(gè)控制器，而每個(gè)燈都要設(shè)置地址很麻煩，異步傳輸方式也很麻煩。針對(duì)此缺點(diǎn)，本文提出了基于SD5128 的同步DMX512 的LED控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文給出了同步DMX512 實(shí)現(xiàn)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，在硬件上增加了存儲(chǔ)接口芯片以實(shí)現(xiàn)燈光控制數(shù)據(jù)的移動(dòng)存儲(chǔ)，具有更好的拓展性。

同步DMX512 是采用同步DMX512 總線( 用一根線實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的移位和置入) 的同步串行傳輸?shù)姆绞?，吸取了DMX512 和SPI 移位總線兩者的優(yōu)點(diǎn)。同步DMX512 在電氣特性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面與DMX512 協(xié)議大致相同，采用同步傳輸?shù)姆椒▉?lái)進(jìn)行兩線移位傳輸，并且采取了SPI 一位傳輸?shù)姆椒▉?lái)避免DMX512 協(xié)議的地址設(shè)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(yuǎn)的情況下，不使用RS485總線。

1　DMX512 燈光控制協(xié)議

DMX512 協(xié)議是一個(gè)數(shù)字調(diào)光協(xié)議，應(yīng)用它能夠?qū)ξ枧_(tái)、劇場(chǎng)、演播室等場(chǎng)所的調(diào)光器以及其他的控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)字控制，適用于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從控制。其互聯(lián)形式采用了多點(diǎn)總線結(jié)構(gòu)，不存在信息通路阻塞問(wèn)題，可靠性較高。

協(xié)議規(guī)定控制信號(hào)數(shù)據(jù)包的傳輸通過(guò)異步通信的方式進(jìn)行。一個(gè)DMX512 數(shù)據(jù)包包含起始碼和512 個(gè)數(shù)據(jù)幀。每一幀數(shù)據(jù)包括1 位低電平起始位、8 位數(shù)據(jù)位、2 位高電平停止位。一個(gè)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)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。它采用的單線傳輸模式，內(nèi)置采樣/ 時(shí)鐘再生電路、數(shù)字鎖相電路、移位寄存器、脈寬調(diào)制模塊，級(jí)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(qū)動(dòng)的工作模式，可驅(qū)動(dòng)三極管和MOS 管。SD5128 采用24 位真彩色( 8R+ 8G+ 8B) ，結(jié)合DMX512協(xié)議數(shù)據(jù)格式，SD5128 的幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中，數(shù)據(jù)幀和結(jié)束符都是高位先移入，每個(gè)數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的上升沿被采樣，下降沿被打出;第一個(gè)數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)距移入端最近的LED 燈，N 表示芯片數(shù)量。結(jié)束符= 1 位“0”+ 24 位“1”，但在實(shí)際編程中，按字節(jié)發(fā)送1 位的“0”和31 位的“1”，所以結(jié)束符實(shí)際為“0x7FFFFFFF”。對(duì)比圖1 與圖2，可以發(fā)現(xiàn)SD5128 的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)比DMX512 更簡(jiǎn)潔。SD5128 幀結(jié)構(gòu)沒(méi)有起始位和停止位，數(shù)據(jù)位從8 位增加到24 位( 8R+ 8G+ 8B);SD5128 的數(shù)據(jù)包包括24　N 位數(shù)據(jù)( 即N 幀數(shù)據(jù)) 和1個(gè)結(jié)束符，沒(méi)有DMX512 的MTBP 位、BREAK 位、MAB位、SC 位。更簡(jiǎn)潔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)快速的同步DMX512 協(xié)議有很大的作用，SD5128 的單線級(jí)聯(lián)移位串行控制使控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，接線更加簡(jiǎn)單。

SD5128 的級(jí)聯(lián)方式能實(shí)現(xiàn)多像素點(diǎn)控制，每個(gè)SD5128 控制一個(gè)LED 像素點(diǎn)，級(jí)聯(lián)方式如圖3 所示。

3　LED 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3. 1　硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。相比傳統(tǒng)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(jí)聯(lián)的SD5128 芯片和存儲(chǔ)DMX512 數(shù)據(jù)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(xiàn)單色256 個(gè)灰度變化以及2563 種混合顏色變化，達(dá)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(jī)方式下，主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀U 盤功能以及對(duì)燈光數(shù)據(jù)的移動(dòng)控制，增強(qiáng)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總線相連。

3. 2　軟件設(shè)計(jì)

MCU 通過(guò)讀取U 盤中存儲(chǔ)的燈光控制文件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈的控制。U 盤中可以存放多個(gè)文件，且每個(gè)文件都是一組數(shù)據(jù)的組合，并以文件名區(qū)分和識(shí)別。

CH 375提供了U 盤文件級(jí)子程序庫(kù)，MCU 可以直接調(diào)用子程序庫(kù)讀寫U 盤中的燈光控制數(shù)據(jù)，無(wú)需考慮文件系統(tǒng)，這不僅降低了研究難度，而且也降低了綜合開發(fā)成本。主程序流程如圖7 所示。

當(dāng)確定U 盤插入時(shí)，先搜索U 盤里指定文件的個(gè)數(shù)，再讀取指定的文件，判斷該文件的大小，打開文件并發(fā)送一組控制數(shù)據(jù)。當(dāng)一組控制數(shù)據(jù)的末尾是0x7FFFFFFF時(shí)，說(shuō)明是一組控制數(shù)據(jù)的結(jié)束符，再發(fā)送下一組控制數(shù)據(jù)，直到文件中數(shù)據(jù)發(fā)送完為止，關(guān)閉文件并打開下一個(gè)文件。這樣，U 盤中多個(gè)文件可以組合成絢麗的控制效果。

結(jié) 語(yǔ)

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

本文采用基于SD5128 的同步DMX512 實(shí)現(xiàn)LED 系統(tǒng)的控制，用單個(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)DMX512 協(xié)議，不僅讓控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，而且使用U 盤存儲(chǔ)燈光控制數(shù)據(jù)能夠極大地方便用戶。