基于DMX512協議的RGB激光電腦燈的設計*

于明 朱萬彬 張歆東

(1.吉林大學 電子科學與工程學院，吉林 長春 130012;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 應用光學國家重點實驗室，吉林 長春 130033)

1 引言

電腦燈是一種應用于舞臺表演領域的數字化照明設備，能夠通過顏色和明暗變換、頻閃、追光等效果烘托舞臺氛圍，表現特定的藝術效果。隨著電腦燈的發展，LED和激光光源也逐漸應用到電腦燈上。與傳統的氣體放電燈或金屬鹵化物燈［1］相比，激光電腦燈具有功率低、無紫外輻射和不易損耗的優點。本文設計了一種以RGB三色激光為光源的電腦燈，通過對三束激光亮度的調節，實現全色光的輸出。

燈具以DMX512控制協議為標準，采用單片機作為控制和處理單元，對DMX512信號進行接收和解碼，再發送相應的指令給步進電機帶動各受控端，完成燈頭轉動、快門開合等動作，實現照明功能。基于DMX512協議的控制系統使燈具的使用簡單方便，同時對其他的DMX512燈具及控制臺有良好的兼容性。

2 DMX512協議簡介

DMX512協議是美國劇場技術協會 (USITT)于1990年提出的一項燈光控制的數字化標準［2］。該協議由于其良好的適用性，被大多數的生產商和用戶所接受，直至目前仍有大量的DMX512產品應用于舞臺照明。

DMX512信號格式如圖1。圖中MTBP為數據包之間的空閑信號。數據包以起始標志 (BREAK)開始，用于信號發送和接收的檢測，起始標志通常大于88μs。MAB通常是一個8μs的高電平。MAB之后的第一幀數據是起始碼 (SC)，為低電平。之后是搭載著控制信息的512個數據幀，每一幀數據可以控制一個通道。一個數據幀由11位組成，包括一個低電平的起始位、八個數據位 (D0-D7)和兩個高電平的結束位。故理論上一條DMX512數據線可以控制512個通道，每個通道最多可以有256個控制狀態。DMX512信號每一位的寬度為4μs，典型傳輸速率為250kb/s。

圖1 DMX512信號格式

3 系統構成

系統總構成如圖2。整個系統包括電路部分、機械部分和光學部分。其中MCU選用8052單片機，主要負責DMX512信號的接收和解碼。經解碼的控制信號按照各通道的地址編碼分別發送給對應的受控端。發送到激光器的控制信號調節RGB激光器的輸出功率，使得三束光經過光學系統混色后產生特定顏色的光輸出。發送給步進電機驅動芯片的控制信號控制步進電機轉動［3］，實現燈頭 X軸擺動、Y軸俯仰運動、快門開合、圖案板轉動等動作。在各路控制信號的共同作用下即可在舞臺上呈現出絢麗多彩的燈光效果。

圖2 系統框圖

4 軟件實現

控制臺發出的DMX512信號是通過串口輸入給燈具的，故軟件部分主要負責串口數據的接收和解碼。實際工作時通常是多個燈具共用一路控制信號，為了讓各個燈具的控制信息不至混淆，需要對各個燈具設置起始地址［4］，這對 DMX512信號的接收十分重要。例如某系統中有三臺電腦燈，通道數分別為8、12、16。在將燈具接入系統前，分別設置其起始地址為1、9、21，在軟件控制下第一臺電腦燈接收數據包中的第1到8幀數據，第二臺電腦燈接收第9到20幀數據，第三臺電腦燈接收數據包中的第21到36幀數據。

串口接收程序［5］流程圖如圖3，圖中 n為當前讀取數據幀的幀數，a為本機起始地址，b為本機通道數。首先打開串口，設置串口寄存器。數據包以BREAK信號為起始，故等待BREAK信號到來以開始數據包的接收。BREAK信號的檢測可以采用中斷服務調用定時子程序完成，當低電平大于88μs時即檢測到BREAK信號。SC信號的檢測同理。為防止誤碼，檢測BREAK信號后是否有一幀低電平的SC信號。接下來從第一幀開始采用逐幀對照的方法找到對應本機起始地址的數據幀，找到后逐幀接收數據直至本機全部控制數據接收完畢。至此一個數據包接收完畢，繼續等待下一個BREAK信號到來。

圖3 串口接收程序流程

軟件部分另一個功能是將接收到的每一幀數據轉換成步進電機驅動芯片和調光器能夠識別的控制信號，即DMX512信號的解碼。這部分程序根據燈具各通道的DMX數值與控制狀態的對應關系而不同。例如通道4為燈頭Y軸俯仰角的控制通道，DMX值在0～255之間變化對應俯仰角0～180°的變化，則程序中可通過查表的方式將接收到的第四幀數據轉換成步進電機驅動芯片能夠識別的信號發送出去，使燈頭俯仰角達到預期的位置。

5 光學系統

傳統的電腦燈通常采用氣體放電燈或金屬鹵化物燈作為光源。這種光源功率一般在500W以上，有些大功率燈甚至超過2000W。大功率的一個直接后果就是發熱量大，這對燈具內部電子器件和舞臺環境都是一個隱患。由于其發光光譜是連續的，故含有對人體有害的紫外輻射，這對演員的健康也十分不利。最后由其發光原理決定光源將隨使用時間的增長逐漸損耗，縮短了燈具的使用壽命。

為了解決以上問題，本系統采用RGB激光作為光源。激光的發光效率相比金屬鹵化物燈要高出一個量級，這使得燈具的功率大大降低，同時也就降低了發熱量。激光的頻率集中，不含紫外輻射，不會對人體產生危害。激光光源也不易損耗，亮度衰減慢。

本系統選擇半導體激光器作為光源，激光器的功率可根據具體照明需要進行選擇，驅動電源部分要求驅動電流可調［6］。同時使用RGB三束激光作為光源，傳統電腦燈中使用電機帶動顏色盤轉動的換色方式就不再適用了。這里通過激光器的驅動電流控制輸出功率，改變RGB配比混合出不同顏色的輸出光，相比顏色盤固定的有限種顏色，RGB混色的全色光輸出更加豐富多彩。

如圖4的光學系統將三束不同頻率光混合成一束。其中藍綠光束平行，且與紅光垂直。a、b兩玻璃片分別置于三束光相交成兩直角的角分線上。a玻璃片為下表面鍍膜，鍍膜材料能透射紅光、反射綠光。b玻璃片為上表面鍍膜，鍍膜材料能透射藍光、反射紅綠光。具體鍍膜材料這里不做討論。經過a玻璃片后紅綠光匯成一束，再經b玻璃片反射后與藍光匯成一束，RGB三色混合成的光束再經過透鏡擴散后形成輸出光。

圖4 RGB光束混合

6 結論

本文設計了一種以RGB三色激光為光源的電腦燈，以DMX512協議為基礎構成控制系統，闡述了其軟硬件構成和光學系統。這種燈具控制簡單有效，兼容性好，所使用的RGB激光光源相對于傳統的電腦燈在一定應用領域內具有明顯優勢，有一定的實用價值。

［1］吳業權．金屬鹵化物燈的發光原理及其優缺點 ［J］．電子制作，2003(1):42

［2］方福波，劉有源，陳定方．DMX512控制協議及其實現 ［J］．照明工程學報，2002，13(3):58～61

［3］任慧，王坤，紀蘊宜．舞臺電腦燈用步進電動機控制技術的研究 ［J］．微電機，2007，40(1):68～70

［4］韓振雷，齊立森．DMX512燈光控制協議的傳輸特性及應用要點分析 ［J］．燈與照明，2009，33(1):44－46+53

［5］馬忠梅 等．單片機的C語言應用程序設計 (第4版)［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2007

［6］劉洋，肖文，叢琳．激光照明用驅動電源的設計 ［J］．光學與光電技術，2007，5(5):49～52