朱學(xué)莉 董 博

(1:硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆山 215332; 2:博澤汽車技術(shù)企業(yè)管理(中國)有限公司,上海 201805)

0 引言

DMX512通信協(xié)議是一種數(shù)字化娛樂燈光設(shè)備通用控制協(xié)議,被廣泛應(yīng)用于娛樂照明行業(yè).該通信協(xié)議因其簡單、實用和高效的特點,在包括電腦燈在內(nèi)的各種舞臺效果燈、調(diào)光控制器、控制臺、換色器、電動吊桿等各種舞臺燈光設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用.但是,DMX512通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)中沒有校驗手段,因此在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的場合下,會出現(xiàn)燈光意外閃爍或丟失控制信息等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響整體視覺效果.

舞臺燈光是舞臺表演的重要組成部分之一,舞臺燈光控制技術(shù)的高低直接影響著舞臺表演最終效果.隨著科技不斷發(fā)展創(chuàng)新,也對舞臺燈光的控制提出了更高的要求.近年來,對舞臺燈光控制技術(shù)的研究是舞臺照明行業(yè)的熱點之一,文獻(xiàn)[1]研究了DMX512協(xié)議的傳輸特性;文獻(xiàn)[2]介紹了LED燈具的DMX512協(xié)議應(yīng)用系統(tǒng);文獻(xiàn)[3]給出了基于DMX512協(xié)議的激光電腦燈設(shè)計設(shè)計方案;文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]則偏重于舞臺燈光控制技術(shù)的研究.這些研究主要偏重于DMX512的實際應(yīng)用效果及相關(guān)設(shè)備的控制技術(shù),缺乏對DMX512協(xié)議本身的研究與改進(jìn).本文在DMX512應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對DMX512通信協(xié)議的不足,設(shè)計了一種能夠抑制脈沖干擾的中繼設(shè)備,可以大大改善DMX512通信協(xié)議的應(yīng)用效果.

1 DMX512通信協(xié)議

DMX512通信協(xié)議包括電氣特性、數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面的內(nèi)容.該協(xié)議由美國劇場技術(shù)協(xié)會(United State Institute for Theatre Technology,USITT)于1986年8月提出.

協(xié)議給出了一個在EIA-485差分通道上傳送單幀多達(dá)512字節(jié)控制信息的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),后在1990年和2004年進(jìn)行了進(jìn)一步修改,目前最新版本為《DMX512-A Digital Data Transmission Standard for Lighting Control,ANSI E1.11-2004》.

協(xié)議的國內(nèi)版本為《DMX512-A 燈光控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》,由中國演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會演出場館設(shè)備專業(yè)委員會起草,并進(jìn)行了注冊信息管理.

1.1 DMX512工作原理

DMX是Digital MultipleX的縮寫,意為數(shù)字多路復(fù)用,協(xié)議名稱中的512代表單幀的最長數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),理論上單條DMX512總線上可以掛載多達(dá)512個最小控制單位(如單個光源的亮度,電機轉(zhuǎn)動角度等).協(xié)議以符合EIA-485的串行方式發(fā)送和接受數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)波特率為250kbps,單個位發(fā)送時間為4μs,完整的單幀最長發(fā)送時間約為22ms,數(shù)據(jù)刷新率可達(dá)到40Hz以上.

DMX512采用異步通信格式,協(xié)議起始部分由復(fù)位段和數(shù)據(jù)段組成.復(fù)位段由BREAK(復(fù)位信號),MAB(復(fù)位后標(biāo))和START Code(起始碼)組成.包括起始碼在內(nèi),每個控制信息字節(jié)由11位構(gòu)成,其中包括1個起始位,8位數(shù)據(jù)和2個停止位.每字節(jié)控制信息可以表示0～255之間不同的值.DMX512-A的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 DMX512-A的幀結(jié)構(gòu)Fig.1 DMX512-A frame structure

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Tran-smitter,UART)輸出及接收器的時序圖值見表1和表2.

表1 發(fā)送UART的輸出時序圖值Table 1 Timing Diagram Values-Output Tranmitting UART

表2 接收器的時序圖值Table 2 Timing Diagram Values for Reseivers

1.2 DMX512 協(xié)議的不足

DMX512通信協(xié)議的一個不足之處是幀結(jié)構(gòu)中缺少校驗手段,并且數(shù)據(jù)只能被單向由主機向所有從機發(fā)送,從機無法識別到通信過程中產(chǎn)生的錯誤,因此也無法對錯誤狀態(tài)進(jìn)行反饋.

這個設(shè)計上的不足導(dǎo)致在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的場合下,主機發(fā)送的數(shù)據(jù)易受其他環(huán)境耦合至數(shù)據(jù)總線的差模干擾,主機發(fā)送的指令不能被正確執(zhí)行.例如,當(dāng)建筑立面/舞臺燈光照明等可調(diào)光設(shè)備搭配用于調(diào)節(jié)燈具照射角度的電動機使用時,由于公用電源線路和布線方式等原因,電機啟停時容易對通信線路造成干擾,這種脈沖干擾會導(dǎo)致燈光意外閃爍或丟失控制信息,影響整體視覺效果.

解決此種干擾有兩種辦法.一種是使用DMX512協(xié)議保留的EF擴(kuò)展,可將備用通信線路作為冗余數(shù)據(jù)線路,或使用備用通信線路以更高的速率發(fā)送控制信息以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余發(fā)送和校驗/反饋等功能,以此達(dá)到抑制通信干擾的目的.此種方法的優(yōu)點是給開發(fā)設(shè)計者提供了靈活的擴(kuò)展方式和優(yōu)良的綜合效果,但不足之處也很明顯:系統(tǒng)和通信協(xié)議復(fù)雜程度高,開發(fā)周期長且方案通用程度差,設(shè)備的可復(fù)用性低,難以普及推廣.此外，在成本方面,會帶來線路材料及敷設(shè)成本大幅上升、需要采購配套的設(shè)備等問題.

另一種解決辦法是在DMX512網(wǎng)絡(luò)的局部或分支末端采用中繼器進(jìn)行自定協(xié)議擴(kuò)展,這種方案同樣有復(fù)雜、通用性差的問題,但相對以第一種解決辦法,通信協(xié)議的復(fù)雜程度可以大大降低,可以采用低成本、結(jié)構(gòu)簡單的中繼器進(jìn)行協(xié)議中轉(zhuǎn),線路材料和敷設(shè)成本較普通方案并無明顯增加.

本文即采用了后一種解決方案,對DMX512協(xié)議進(jìn)行了簡單的擴(kuò)展,其中繼設(shè)備可選擇工作在普通DMX512模式或增強改進(jìn)模式下,通過低成本、相對簡單的方式提高了對線路干擾的抑制能力.

2 協(xié)議的擴(kuò)展和中繼器設(shè)計

抑制干擾中繼器是一種以MCU為核心的通信系統(tǒng),其作用是對DMX512規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)展,工作原理是利用MCU配以電平轉(zhuǎn)換及隔離等電路來提升DMX512網(wǎng)絡(luò)局部傳輸速率,從而實現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的冗余校驗,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹6].

2.1 DMX512協(xié)議擴(kuò)展

本文所述協(xié)議相對DMX512規(guī)范的擴(kuò)展主要在于提高子網(wǎng)內(nèi)通信速率和冗余發(fā)送控制信息方面.

通信線路上的干擾會帶來設(shè)備的運行異常,即便是添加了校驗手段,接收端能判斷出數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的情況下也僅能保證該錯誤控制信息不被執(zhí)行.在某些特定的情況下,如出現(xiàn)燈光閃爍、方向跳動等情況時,丟棄錯誤的控制信息幀會導(dǎo)致短時動作不能被執(zhí)行.采用糾錯編碼的方式受限于MCU的運算能力,且被干擾改變的控制位不可多于1～2位,否則亦不能正確還原控制信息.本文采用下述方式對信息幀結(jié)構(gòu)做出擴(kuò)展,即在原有的MDX512幀末尾加入CRC-16校驗和及被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的幀編號.

2.2 干擾抑制中繼器設(shè)計

干擾抑制中繼器(以下簡稱中繼器)采用了一種簡單的DMX512通信協(xié)議擴(kuò)展,可以在子網(wǎng)或局部提升通信速率以冗余發(fā)送控制信息,從而使電機等設(shè)備隨機產(chǎn)生的短時脈沖干擾的影響降低到最小.

中繼器的基本工作原理為:在子網(wǎng)內(nèi)或局部提升通信速率至500kbps,所有的子網(wǎng)設(shè)備需要支持加倍的通信速率,并可由DMX512規(guī)范所保留的ASC(Alternate START Code)對子網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)置,設(shè)備可以工作在普通的DMX512協(xié)議模式下,也可在復(fù)雜的干擾情況下切換到抗干擾增強模式.

為了降低延時影響,中繼器在接收到控制臺單幀信息的一半時開始以雙倍速率在信號輸出端以擴(kuò)展協(xié)議的方式開始轉(zhuǎn)發(fā),當(dāng)接收到控制臺數(shù)據(jù)幀的尾字節(jié)后,中繼器按照擴(kuò)展協(xié)議所定義的校驗方式將校驗段和轉(zhuǎn)發(fā)編號放置在末尾發(fā)出,同時重新開始發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)幀,當(dāng)此數(shù)據(jù)幀第二次被發(fā)送后,新的控制臺數(shù)據(jù)幀已有一半到達(dá).脈沖干擾抑制器的具體信號時序如圖2所示.

圖2 脈沖干擾中繼器的信號流程Fig.2 Signal flow of impusle interference repeater

接收設(shè)備按照如下方式工作.依次收到轉(zhuǎn)發(fā)編號為A1和A2的兩幀后,接收端根據(jù)下述邏輯選擇是否刷新數(shù)據(jù)或指令:①當(dāng)兩幀的校驗段都正確時,使用該數(shù)據(jù)或指令；②當(dāng)兩幀中校驗段均錯誤時,延續(xù)使用上一幀的數(shù)據(jù)和指令；③當(dāng)兩幀中僅有一幀校驗段正確時,使用正確幀數(shù)據(jù),丟棄校驗錯誤的數(shù)據(jù).

中繼器的信號輸入端為控制臺引出的RS485數(shù)據(jù)線,信號輸出端為子網(wǎng)RS485數(shù)據(jù)線.在各種應(yīng)用中,干擾通常是通過電源線耦合至通信線路,所以中繼器應(yīng)該盡量放置在靠近控制設(shè)備的信號輸出端口附近,以降低原始控制信號被干擾的可能性.

2.3 中繼器的硬件實現(xiàn)

本文設(shè)計的短時脈沖干擾抑制中繼器是一種以MCU為核心的通信系統(tǒng).采用PIC24FV32KA304作為主控MCU,按照DMX512協(xié)議的基本要求,使用6N137和DCV010505對電源和通信線路進(jìn)行隔離,系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示.

圖3 中繼器的原理框圖Fig.3 Principle diagram of repeater

主控PIC24FV32KA304是MicroChip公司設(shè)計生產(chǎn)的一款低成本的16位RISC微控制器.此款MCU采用改進(jìn)型的哈佛架構(gòu),帶有32KB Flash和2KB RAM存儲器,在系統(tǒng)時鐘為32MHz時可以達(dá)到最高16MIPS的處理能力,該MCU具有豐富的外設(shè)資源,尤其是適用于本應(yīng)用的CRC循環(huán)冗余校驗發(fā)生器和帶有4級深FIFO接收/發(fā)送緩沖區(qū)的UART模塊.

UART1負(fù)責(zé)接收控制臺發(fā)送的控制信息,通信速率為250kbps, UART2負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以原始數(shù)據(jù)速率的兩倍即500kbps轉(zhuǎn)發(fā)到子網(wǎng).在偵測到幀的起始部分后,MCU將收到的數(shù)據(jù)逐一保存在一個516字節(jié)的緩沖區(qū)內(nèi),并計算更新CRC-16數(shù)據(jù)校驗和,當(dāng)控制臺信息發(fā)送到258字節(jié)時,MCU將保存的數(shù)據(jù)開始將之前收到的258字節(jié)以二倍速率按次序通過UART2發(fā)出,同時UART1繼續(xù)接收控制臺數(shù)據(jù).當(dāng)控制臺數(shù)據(jù)幀發(fā)送到低512字節(jié)時,MCU將根據(jù)CRC-16計算出的校驗和及轉(zhuǎn)發(fā)編號放置在緩沖區(qū)末尾,繼續(xù)UART2完成整個幀的發(fā)送.發(fā)送結(jié)束后,MCU再次將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)由UART2重新發(fā)送一次,以此實現(xiàn)二次冗余發(fā)送.

2.4 軟件編程

軟件包含中繼器和接收設(shè)備兩部分,其中,中繼器轉(zhuǎn)發(fā)功能部分的程序流程如圖4所示.在通過外部中斷和計時器偵測到的正確起始信號(BREAK)后,MCU進(jìn)入UART1接收中斷.流程圖中的延時部分、發(fā)送長度及緩沖區(qū)長度可以由上位機界面使用保留ASC設(shè)置,存儲在中繼器的EEPROM中,以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境.接收設(shè)備根據(jù)控制信息尾部的轉(zhuǎn)發(fā)幀編號輔助判斷,接收長度和緩沖區(qū)長度同樣可以用上述方法設(shè)置并保存在EEPROM中.

圖4 中繼器的軟件流程圖Fig.4 Software diagram of repeater

圖5 總線實際數(shù)據(jù)圖Fig.5 Actual data diagram of bus

2.5 設(shè)計方案的綜合評估

圖5顯示了中繼器工作時通過差分探頭測得的總線實際數(shù)據(jù)波形圖.由圖可見,上方通道為控制器發(fā)出的原始DMX512控制信息幀,信息為512滿字節(jié)發(fā)送.下方通道為經(jīng)過抑制器轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息幀.可見該中繼器可以很好實現(xiàn)本文提出的設(shè)計要求,在不同數(shù)據(jù)長度的情況下中繼器亦能按照要求轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).在實際的抗干擾測試中,使用了一臺直流電機和燈具對設(shè)備進(jìn)行測試,經(jīng)統(tǒng)計,該方案可以有效減少95%以上特定通信干擾環(huán)境下的運行錯誤.

3 結(jié)語

本文在DMX512應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,給出了一種短時脈沖干擾抑制的中繼器的設(shè)計方案,采用該裝置可以大大減少短時脈沖干擾,提高了系統(tǒng)的可靠性.該協(xié)議改進(jìn)方案具有以下優(yōu)點:

(1) 對DMX512原有協(xié)議改動較小,簡單且容易實現(xiàn).

(2) 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)冗余接收,可以大大減少脈沖干擾時的丟幀現(xiàn)象.

(3) 通用性相對較強,廠商可以提供與設(shè)備配套的中繼器,并可通過上位機界面來配置中繼器和燈具工作在普通DMX512模式或協(xié)議擴(kuò)展模式.

(4) 方案低成本、結(jié)構(gòu)簡單、易于推廣,極具工程應(yīng)用價值.

參 考 文 獻(xiàn)

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