基于嵌入式計算機的網絡燈光控制系統研究

馬偉

摘要：51單片機主要應用現場調光信息，基于嵌入式計算機的網絡燈光系統借助傳輸調光命令可以完成對現場燈光的控制，并回傳燈具工作狀態，在本機LCD主界面中完成信息顯示。對網絡燈光控制系統的結構、工作原理及實現方式進行了闡述，著重介紹了系統調光命令的實現過程，同時對51單片機及嵌入式計算機等進行了研究，綜合性地交代了應用程序如何通過網絡完成數據交換。

關鍵詞：單片機；嵌入式計算機；網絡燈光控制系統

DOIDOI：10.11907/rjdk.161070

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）005-0113-02

0 引言

現代社會經濟的快速發展促使網絡技術應用不斷深入，網絡技術的發展速度與成熟度也進一步加強。電視中心、大劇場以及體育館等都需要借助網絡控制技術實現對燈光的管理與控制操作，利用這樣的平臺，采用網線、光纖等取代傳統意義上的DMX信號線，能夠在很大程度上簡化布線設置，進一步優化對燈光的控制與管理，解決了多路DMX的控制安全性問題，也能夠對舞臺機械網絡系統及吊掛系統等的安全傳輸產生積極影響。

1 網絡燈光控制系統構成分析

網絡燈光控制系統包括5個主要構成部分，網絡調光柜、調光臺、網絡智能燈具、網絡監控主機以及網絡移動終端。其中，網絡監控主機主要為工業控制機，主要組件為嵌入式計算機。網絡燈光控制系統能夠通過路由器與因特網直接連接，其系統構成如圖1所示。

網絡燈光控制系統基于HUB連接為局域網，主要采用TCP/IP協議，運輸層為UDP協議，網絡層為IP協議，數據鏈路層為IEEE802.3。

網絡調光臺的51單片機主要負責對調光臺以及操縱桿等單元數據進行獲取，通過信息處理后進行調光數據模塊操作，直接傳輸到PC104。完成第一步傳送后PC104再將調光命令數據直接傳送到網絡上，進行廣播。如圖1所示，全部網絡調光柜PC104均接受調光命令，通過并口傳輸到本機51單片機，再通過51單片機發出DMX512標注信號，以有效對燈具進行發光控制。除了這種控制形式，可以直接通過網絡對網絡智能燈具進行發光控制，并且網絡移動終端也能夠對燈具進行相關控制，發出調光命令。這種控制形式能夠為現場工作人員提供較大便利，便于工作人員根據工作需求進行移動控制以及臨時燈光調試等。

燈具發光情況除了在本機網絡調光柜進行信息顯示外，其相關狀態信息能夠直接傳輸到網絡調光臺，或將信息傳輸到網絡監控主機或移動終端上。若系統沒有直接顯示相關信息，或系統運行出現異常，將通過網絡調光臺或監控主機或移動終端進行報警；一旦出現故障信息或異常情況，網絡監控主機的短信貓將直接將詳細信息發送給工作人員。網絡調光柜相關參數、回路調光數據、調光曲線參數以及相關報警參數主要通過網絡監控主機的設置，通過網絡廣播形式直接將數據信息傳輸到網絡調光柜，工作人員能夠直接對網絡調光柜進行操作，可通過觸摸屏數據更改等形式進行參數調整或重置。

為了切實保障系統運行的穩定性和安全性，系統運行過程中主要應用RS485總線作為系統的備用通道，應用目的在于當系統出現運行故障時，能夠直接運行臨時RS485總線傳輸，保證調光命令順利進行。直至相關工作暫時停止，并等到以太網正常恢復工作后再將臨時RS485總線切換到正常方式下。網絡調光臺相關應用程序主要是通過DOS操作系統Turboc3.0開發，網絡調光柜PC104程序也是基于Turboc3.0開發。網絡監控主機應用程序與網絡調光臺和網絡調光柜PC104的系統程序開發不同，主要是在Windows 7操作系統下應用Visual C++6.0開發。

2 基于嵌入式計算機的網絡燈光控制命令發布

通常情況下，若調光命令發出后超過100ms后燈具才正常發光，則直接給人一種延時發光感覺。因此針對燈光控制實時性，要注重調光命令發布與燈具發光控制過程的順暢。在基于嵌入式計算機的網絡燈光控制系統中，其調光命令發布的主要方法為利用網絡調光臺操作桿的化工進行控制。網絡調光臺上有諸多操作桿，為保證所有燈光控制準確就要對滑動操作桿的所有位置信息進行采集，完成信息采集與處理后將調光命令數據傳到網絡調光柜PC104。因此，要求操作人員將運用多個51單片機共同構成單片機群，以有效控制調光臺的數據收集與處理，以及對數據I/O進行控制。由多個51單片機構成的單片機群，能夠有效對數據進行存儲，將其存儲于共享RAM中，可極大提升數據應用效率，避免出現交換問題。

51單片機及PC104主要采取并口數據傳輸方式，以保證數據邊采集邊計算及邊傳輸，這種形式可有效縮短將滑動操作桿的滑動動作傳輸到調光柜PC104的傳輸時間。51單片機通過并口中斷對調光柜PC104發布通知，使PC104開始接收數據，所有調光命令數據塊都將依次進行傳輸。本機PC104一旦接收到調光命令數據塊，則將利用網絡向所有網絡調光柜廣播802.3幀，幀的數據也即調光命令數據塊。完成命令數據塊裝幀后利用遠程DMA進行幀傳輸，將其傳輸到網卡緩沖區，完成初始化后將發動控制寄存器，并將幀傳輸到網絡中。網絡調光柜網卡將會通過DMA接受緩沖環，利用主機與遠程DMA進行配合，直接使緩沖環存入內存。完成以上命令操作后，向本機51單片機發出并口中斷請求，基于并口傳輸調光命令數據，輸出DMXA512控制數據，完成燈具發光控制。

PC104能夠直接通過調光柜將狀態信息顯示在LCD上，也能夠通過網絡直接將數據信息傳送到網絡監控主機，通過網絡監控主機直接對程序進行控制，通過調光柜狀態顯示進行相應調整。若狀態數據所包含的數據超限，將會出現圖閃，并向工作人員發出報警信號。

3 基于嵌入式計算機的網絡燈光控制系統實現

3.1 51單片機與PC104并行軟握手通信

由上可知，51單片機與PC104間的數據塊傳輸模式為依次雙向傳輸，采取一次一個的模式，因此選擇并行接口、雙向EPP方式。

以標準的硬握手并EPP方式進行工作，51單片機需要具備對應的接口予以配合，才可實現通信的正常傳輸。本研究中51單片機本身有個別并口能夠加以應用，因而選擇軟握手通信形式，并保證51單片機與PC104并行軟握手通信有效實現。

軟握手信號線如下：①51單片機與PC104雙向傳輸：數據線Data0～Data7；②51單片機到PC104：中斷請求ACK，準備好/數據已取走nWait；③PC104到51單片機：中斷請求nInit，準備好/數據已取走nWrite。其中，51單片機發動數據塊程序的主要流程如圖2所示。

圖2所示的準備好/已取走信號主要采用電平方式，若改為跳變方式則能夠實現數據傳輸加速，但需要對起始狀態作有效處理。同時，在判斷數據已取走信號前準備好下一個將發送的數據，也能夠促進數據傳輸加速。

3.2 應用程序及Windows程序之間的數據轉換

從實時性角度分析，網絡調光臺PC104以及調光柜之間主要應用DOS系統，該系統采用IEEE802.3的協議來實現數據信息傳輸。網絡監控主機的功能是對系統相關燈具等發光條件等進行顯示，同時也需要對系統管理及用戶自行定義情況功能進行確定。因此，采用Windows系統來完成具體操作具有明顯優勢。網絡調光臺產生的數據信息主要以調光命令組織程序完成的控制數據格式進行包裝，其中，802.3幀源MAC地址也即本機MAC的地址，因為MAC地址主要體現的是廣播MAC地址。網絡調光臺在出現命令的情況下，在網絡調光柜收到信號之后，通過調光命令傳送程序進入到單片機中完成相應操作。如果網絡監控主機接收到的命令數據不是IP數據，則不會進一步遞交給上級。

網絡調光柜PC104將燈具控制信息與燈具狀態信息傳輸到網絡監控主機時，要先對其進行假包裝，也即將狀態信息看作應用層數據，完成UDP協議包裝，再將UDP協議包裝進行IP協議包裝，主要是計算首部檢驗、源IP地址、目的IP地址。完成假包裝后的IP數據為802.3幀的數據，802.3幀目的MAC地址也即PC104的MAC地址，主要通過網絡監控主機廣播獲取。

燈具發光狀態信息傳輸狀態如圖3所示。

4 結語

基于嵌入式計算機的網絡燈光控制系統包括控制和監視兩項功能。系統控制主要是對調光命令的控制，借助網絡快速完成對相關現場燈具的調光操作；監視則是通過網絡調光柜實現對現場燈光等狀態情況的信息采集，并在本機中顯示報警。同時也能夠通過網絡傳送的形式完成一對多或者多對一的監視。由于本局域網屬于共享網絡類型，因此，在燈具數量大的情況下，也能夠通過增加網絡帶寬的方式提升傳輸速率。

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（責任編輯：孫 娟）