基于開源硬件Arduino及DMX協(xié)議的智能調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)的研究

艾炎，范春春（廣州涉外經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州　510000）

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基于開源硬件Arduino及DMX協(xié)議的智能調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)的研究

艾炎，范春春
（廣州涉外經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院，廣東廣州510000）

摘要：文章主要以美國USITT（美國劇院技術(shù)協(xié)會）的數(shù)字控制調(diào)光器的DMX512協(xié)議為基礎(chǔ)，采用國際著名的開源硬件ARDUINO UNO為控制器來構(gòu)建一個廉價使用的開源智能民用調(diào)光器。具有支持國際所有符合DMX協(xié)議的智能燈光控臺，并且還具有簡單可靠以及靈活性。適用于各種場合，如舞臺、工程照明、家居照明。

關(guān)鍵詞：開源硬件；DMX協(xié)議；智能調(diào)光

本研究項目包括控制電路、LED燈的驅(qū)動電路、LED燈板、軟件的設(shè)計。其中控制系統(tǒng)主要包括MCU電路、顯示電路、按鍵選擇電路及通訊電路，包括信號的接收與發(fā)送、LED燈的驅(qū)動電路主要包括驅(qū)動及PWM（脈沖調(diào)制）、燈板就是燈珠的排列、一般根據(jù)透鏡的孔位做燈珠的排列。軟件的設(shè)計主要是基于Processing開發(fā)，兼容DMX512協(xié)議。

1　系統(tǒng)總體介紹

整個控制系統(tǒng)包含一個2.5 24 VDC電源和自定義hand-wired Arduino控制板。功能包括：一個按鍵和電位器做成的旋鈕的獨特的操作方式；5通道DMX模式操作：模式選擇通道、紅綠藍三個顏色通道、亮度調(diào)節(jié)通道；4位7段數(shù)碼管復用顯示DMX通道或當前燈具運行的程序；除了DMX模式外還加入了4個程序：人工混色、散光燈、順序消退、隨機褪色；EEPM存儲DMX地址和程序。

2　系統(tǒng)框架介紹

整體系統(tǒng)包括的供電電源部分、主要中央控制部分、RS485通訊模塊、燈珠及驅(qū)動模塊、電腦通訊模塊。其中供電模塊主要是最為整個系統(tǒng)的主供電模塊，提供25V、2.4A直流電壓。

中央控制部分，主要負責所有數(shù)據(jù)接收及發(fā)送，包括接收按鍵及旋鈕的信號、各種燈光控制臺信號的接收與解碼。RS485通訊模塊主要起到通訊的作用，采用RS485極大的簡化了燈具連接問題。并且容錯率非常好。燈珠驅(qū)動模塊，主要是為LED燈珠提供恒定的電流，并且提供PWM控制支持，燈珠驅(qū)動模塊起到了至關(guān)重要的作用，PWM支持精度的好壞，直接影響調(diào)光精度的控制，極大地影響燈光效果的好壞。

3　框架模塊

（1）中央控制模塊。中央控制系統(tǒng)由一塊廉價的Atmega-168組成，主要負責數(shù)據(jù)的接受及協(xié)議的解碼，為LED驅(qū)動電路提供脈沖信號，如圖1所示是中央控制的單片機最小系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括一個外置的晶振及復位電路，圖2為系統(tǒng)顯示電路。

圖1　中央控制模塊控制器最小系統(tǒng)

圖2　中央控制系統(tǒng)顯示電路

（2）RS485通訊模塊。TIA485-A，也被稱為ANSI/TIA/ EIA-485，TIA/EIA-485，EIA-485或RS-485，是一個標準的電特性定義驅(qū)動和接收器使用數(shù)字平衡多點系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)中主要采用了TI公司專門為總線式雙向數(shù)據(jù)通訊、多點設(shè)計的單片集成電路SN75176，該芯片能滿足EIA-RS422A標準，由于芯片接受信號的檢測靈敏度為正負200mV，如果A、B端電位差的絕對值小于這個數(shù)字時，則會出現(xiàn)信號不穩(wěn)定的情況，所以為了解決這個問題，采用人為的辦法在A、B輸出端嫁接上上拉、下拉電阻使A高于B電位，這樣RXD的電平在芯片不發(fā)送數(shù)據(jù)的時候始終呈現(xiàn)出高電平，就不會出現(xiàn)亂碼的情況了。通訊電路的示意圖如圖3所示。

圖3　SN75176電路

圖4　SQ9910應用電路

（3）燈珠驅(qū)動模塊。在文章中選用了高亮度驅(qū)動芯片SQ9910，該芯片具有高效率、寬電壓，驅(qū)動能力最高達到1A或者幾百顆LED燈串，并且內(nèi)置PWM低頻調(diào)光和EN使能，過溫保護等優(yōu)點。SQ9910的應用電路如圖4所示。

SQ9910是一款低功耗的降壓行驅(qū)動芯片，輸入電壓可以直流電壓從8V到450V，能適應全球交直流電壓范圍。SQ9910是恒流驅(qū)動，能啟動和控制數(shù)以百計的大功率LED或者更多的燈串，恒流驅(qū)動更能有效地控制燈珠的亮度和光譜，并延長他們的使用壽命。在SQ9910中有一個ENABLE腳（PWM-D）就是我們需要使用的脈沖調(diào)光，不同的占空比來改變LED亮度的變化。

本項目在研發(fā)與設(shè)計的過程中各個模塊形成的框架，主要為硬件方面，包括了必不可少的控制模塊、通訊模塊、燈板驅(qū)動模塊。通過良好的硬件設(shè)計，搭建了一個完整的系統(tǒng)，為軟件設(shè)計完成項目奠定了基礎(chǔ)，硬件是主要的構(gòu)成者，起到了系統(tǒng)通訊及驅(qū)動作用，文章采用經(jīng)過修改過的ARDUINO系統(tǒng)，其實就是一個AVR來搭建這個控制中心，主要起到了中控的作用，TI的SN75176來做RS-485通訊，為DMX512協(xié)議的傳輸提供了硬件鏈路、驅(qū)動模塊，采用了大電流驅(qū)動IC SQ9910作為恒流驅(qū)動IC，做到了大電流、穩(wěn)定的驅(qū)動作用。在智能照明中，每個環(huán)節(jié)都決定了控制的精度，包括燈光調(diào)光調(diào)色的精度，在大功率中，細微的誤差都會導致巨大差別，導致控制不準確，所以每一個環(huán)節(jié)的設(shè)計都必須是精確的。

參考文獻

［1］杜江濤，王愛英.國內(nèi)外建筑天然光研究的新方法［J］.燈與照明，2002，（4）：37-38.

［2］孔晶晶.基于Processing的互動媒體設(shè)計研究［D］.無錫：江南大學，2009.

［3］魯剛強.基于單片機PWM信號控制LED的軟件實現(xiàn)方法［J］.電子世界，2012，（9）：46-47.

Intelligent Dimming Color Mixing System Research Based on the Open Source Arduino Hardware and DMX Agreement

AI Yan，F(xiàn)AN Chun-chun
（Guangzhou Foreign Economic Vocational and Technical College，Guangzhou，Guangdong 510000，China）

Abstract:Based on DMX512Protocol of digital control dimmer of the USITT，this article uses the famous open source hardware ARDUINO UNO as controller to build a cheap open source intelligence civil dimmers.It has intelligent lighting controller which supportsall international DMX Protocol，it is simple，reliable and flexible，and is suitable for various occasions，such as stage，engineering lighting and homelighting.

Key words:open source hardware；DMX agreement；Intelligent dimmer

中圖分類號：TM923.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0076-02

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：艾炎（1988-），男，湖南常德人，碩士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)。