基于單片機的多媒體燈光控制系統

于祥勇，黃雪梅，張磊安，姚錦愷

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

引言

燈光控制系統通過單片機控制LED燈按照信號指令產生強、弱、明、暗、色彩、圖案等多種效果[1-2]。主要體現在兩方面：一是亮度，即光強的控制，二是色彩的控制。色彩控制主要利用RBG三原色混合調色原理，每個LED組合燈由36顆LED小燈組成，可以展示出紅、綠、藍、白四種色彩。每種色彩有256級灰度，理論上可產生256×256×256種色彩變化。本項目中，燈光控制是通過DMX512 通信方式對亮度和色彩進行實時控制，并與鼓風機、煙霧發生器、投影機等設備相互配合，以產生動態的場景控制效果。場景調用和設備聯動通過控制器與PC機通信實現，PC機與控制器通過RS485串口相連，通過發送場景編號與設備控制信息來實現場景的切換操作。

場景變化的控制通過軟件編程實現，單片機型號為XC164CS-16F，它是英飛凌公司開發的16位微控制器，其強大的片上資源能保證運算的需要[3]。整個系統涉及到的通訊協議主要有：RS-485總線協議和DMX512協議。其中RS-485協議用于上位PC機與控制器通訊、控制器與外圍設備通信，DMX512協議用于控制器與LED燈之間的通訊。

1 通信協議

1.1 DMX 512通信協議

DMX512數據傳輸采用異步串行格式，能夠連續傳輸包括復位信號、開始代碼和1-512通道數據信號的數據包，每個DMX接口最多控制 512個通道[4-5]。一個完整的DMX512 數據包如圖1所示。

圖1 DMX512信號格式Fig.1 DMX512 signal protocol

圖1中，1為復位信號，表示一個新數據包的開始。2為復位后標記，所有的DMX512發送器將產生一個復位后標記。3為字段，DMX512字段應被順序傳輸，每個字段包括起始位(4)，數據位(5-最低數據位，6-最高數據位)，停止位(7，8)。9為字段之間的占(空閑)，在所有的空閑時間，數據線都應保持在占狀態。10為復位前標記(數據包之間的數據線狀態)，一個數據包最后字段的第2個停止位與下一個數據包的復位信號下降沿之間的時間，可以在最小和最大值之間變化，在該時間內，數據線應保持占狀態。11為復位信號間的間隔，12為復位序列。在數據鏈路上發送的任意類型起始碼、任意長度的數據包，均應以復位序列開始，即復位信號、復位后標記和起始碼。13為起始碼(字段0 數據)，零起始碼用來標識后續字段為無類型的串行8比特信息。由零起始碼標識的數據包是在DMX512網絡中發送的默認數據包，零起始碼數據包中不包括數據類型和地址結構。

以第0字段開始，以需傳輸的最后字段結束，最多可傳輸512個字段。第一個字段傳送前應發送復位序列。有效的DMX512數據字段值為十進制0～255，每個字段的格式如表1所示，沒有發送校驗位。

表1 字段格式表Table 1 field format table

1.2 DMX 512協議軟件實現

在該燈光控制系統中，DMX512信號通過單片機串口實。250kbps波特率設定通過XC164CS單片機的重載寄存器完成。在初始化軟件配置中,串口通信的每個字節格式也設置為8位數據幀+2個停止位，8個數據位，無校驗。DMX512協議的復位信號、復位前標記和復位后標記均屬于普通IO口輸出，采用串口通訊引腳的IO復用功能，具體是通過單片機串口通訊引腳P3.10(TxD)和P3.11(RxD)實現，復用功能寄存器選擇ALTSEL0P3。

根據以上定義，通過XC164CS單片機模擬發出的DMX512協議信號，示波器測量的波形如圖2所示。

圖2 DMX512協議實現效果Fig.2 DMX512 protocol achieve effect

1.3 RS485協議

整個控制系統中，投影儀的控制、上位機與單片機的通信、LED燈光控制信號的傳輸均通過串行端口實現，采用RS485協議。其中，單片機串口外接RS485電平解碼芯片。

RS485接口采用平衡驅動器和差分接收器的組合，具有很好的抗噪聲干擾性，最大傳輸距離標準為1200 米(9600bps )[6-7]。RS485總線具有多機通信功能，總線上容許連接多達128 個收發器，可以利用單一的RS485 接口建立起總線網絡。RS485 接口均采用雙絞線傳輸，一般只需二根信號線就可組成半雙工網絡，其總線節點以“雛菊鏈”或總線拓撲方式聯網，每個節點都通過較短的線頭連接到主線纜。RS485 的國際標準并沒有規定接口連接器標準，采用接線端子或者DB-9、DB-25等連接器均可以。RS485總線采用主從工作方式，總線上只能允許一個節點處于發送狀態，其他節點處于接收狀態。若總線上有兩個節點同時處于發送狀態，可能會導致通訊紊亂，需要通過方向控制信號(例如驅動器/接收器的使能信號)控制節點操作，以確保任何時刻總線上只能有一個驅動器在活動，必須避免多個驅動器同時訪問總線而導致總線競爭。

2 場景人機界面設計

為了完成對多媒體燈光的場景控制，基于Labview軟件強大的編程功能，編制了上位機場景人機設置界面，如圖3所示。

人機界面結構共分為四個功能模塊：操作輸入處理模塊、表格編輯模塊、代碼轉換模塊和通訊模塊。操作輸入處理模塊根據要求將各種場景變化分解為可操作的具體表格元素，每個場景可分為若干個場景變化段，每個場景變化段包含多個LED燈光效果。表格編輯模塊可對生成的表格進行新建、插入、刪除、保存、打開等操作，其記錄了所有的場景變化過程。代碼轉換模塊將表格操作信息通過算法轉為8通道LED燈能夠接收的信號代碼，生成的信號代碼如圖4所示。

圖3 多媒體燈光控制界面Fig.3 Multi-media light control interface

圖4 信號代碼表Fig.4 Signal code table

通信模塊采用RS485協議，負責完成與下位機的實時通信。

3 試驗研究

該系統主要實現兩個內容：一是展示過程中伴隨的燈光場景實時變化，具體場景共有8個部分：S1星辰，S2宇宙光效，S3穿梭進入地球，S4被污染的地球，S5角色誕生，S6角色舞蹈伴隨植物生長，S7出現綠色地球，S8互動展示。二為媒體設備控制及總控制臺設計，環境燈光由9只LED組合燈供給，每個LED組合燈為108瓦。環境風雨效果則使用1-2個鼓風機風扇，1個煙霧發生器，其它需控制的設備有12臺投影機，4臺拉幕和1個互動控制臺。

LED燈通常具有幾個到幾十個功能，即一臺LED燈占用幾個至幾十個控制通道。通道是指控制回路在某個LED燈上的一個集合，具體是指某個LED燈被單獨控制(比如：聚焦、頻閃、變色等)而占有的調光輸出回路。本文選用的LED組合燈通道列表如表2所示。

表2 LED組合燈通道列表Table 2 LED light channel list

限于篇幅，本文僅給出該控制系統產生的部分LED燈光效果圖，分別產生紅、紫、綠和黃四種顏色，如圖5所示。現場試驗證明，通過該控制系統能產生任意色調變化，同時可保證任意色彩的頻閃控制，達到了理想的控制效果。

圖5 現場控制效果圖Fig.5 Field control effect

4 結論

以多媒體燈光控制系統的特點和性能為研究基礎，分析了其功能實現所必需的硬件、軟件結構，取得了以下幾點成果：

1)開發了以英飛凌XC164CS單片機為控制核心，以兩級網絡總線為骨架的多媒體燈光控制模式。

2)開發了基于混合總線的下位機控制系統，將其分成若干個相對獨立的功能模塊，便于系統的調試和擴展。

3)設計了基于DMX512通訊協議的LED燈光控制系統，實驗證明，該系統可實現多種燈光效果的控制。基于RS485總線協議完成了上位機場景界面的模塊化設計，滿足了多種場景的變化需要。

4)成功將所設計的多媒體燈光控制系統應用于實際，實現了項目研究→開發→調試→維護的整個過程。

[1] 黃以華，廖世文，劉燕林，等.基于DMX512協議的LED燈具控制系統[J].照明工程學報，2009，20(4)：48-53.

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