一種自動批量分配地址的控制系統及照明系統

藍抱年

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一種自動批量分配地址的控制系統及照明系統

藍抱年

廣州市浩洋電子股份有限公司，廣東 廣州 511400

傳統DMX燈具通信網絡通常采用撥碼等方式手工設置每臺燈地址。網絡地址實現自動分配一直是個難題。如果使用傳統方法對各個燈具逐一設置DMX地址則耗費太多時間，效率太低。設計一種能夠快速批量自動設置DMX起始地址的控制系統，提升工作效率。采用獨立地址信號線、地址發送模塊、地址接收模塊、控制單元等，實現自動批量分配地址。經大型工程案例驗證，操作便捷穩定性高。

照明系統；RS-485；DMX512；通信地址；自動分配

引言

隨著科技的快速發展，可實現智能控制的照明系統是現代生活不可缺少的。通過控制照明系統中各種燈光的顏色、亮度以及投射點的變化，豐富了各類生活場景。

DMX512協議自1986年制定以來，稱為照明系統最常采用的標準接口。傳統的DMX照明燈信號線為3股，如圖1所示，連接在1腳的信號線是接地的，分別連接在2、3端口的信號線DMXA、DMXB用于通信。DMX地址的范圍是1～512通道，每一路通道的DMX值的范圍是0～255。

照明系統DMX起始地址通常采用逐臺撥碼或逐臺用RDM設置等方式手工對每臺照明燈進行設置。但是，采用該傳統方法對照明燈逐個設置DMX地址則耗費太多時間，特別是撥碼方式設置需要專業人員攀爬至安裝好的燈具下逐臺進行，效率太低。DMX地址實現自動批量分配是個急需解決的難題[1]。

1 系統原理

1.1 DMX512信號接口

標準DMX512信號接口為3針，如圖1所示。連接在1腳的信號線是接地的，分別連接在2、3端口的信號線DMXA、DMXB是用于通信的。J1是信號輸入，J2是信號輸出，燈與燈之間的DMX信號是并聯方式連通。此并聯信號連接方式無法實現批量地址自動分配操作，只能通過RDM功能發送指令，對燈具手工逐臺分配地址。

1.2 批量自動分配地址原理

實現批量自動分配地址，首要條件是燈與燈之間的信號是串聯連接方式。當第1臺燈完成寫地址操作后，地址數自動加1，指令及地址值通過串聯地址線發送到第2臺，第2臺燈完成寫地址操作后，地址數又自動加1，發送到下一臺……直到把所有燈具的地址寫完。

1.3 方案選擇

由上述可知，要實現批量自動分配地址，首要條件是燈與燈之間的信號是串聯連接方式。實現燈具信號串聯連接有下以兩種方案。

1.3.1 方案一：可控開關實現并轉串

不改變傳統的3針DMX信號線，在燈具內增加可控開關（如繼電器）來實現并聯和串聯轉換，并聯時實現DMX通信功能，串聯時實現地址分配功能。這樣實現DMX通信與寫地址線共用，優點是信號線能和傳統舊燈具的DMX信號線兼容[2-3]。但這種方案有一個很大的缺點：一旦可控開關失控停留在寫地址狀態，燈具無法回到DMX通信狀態，級聯的后級燈具將全部失去控制。當成千上萬臺燈具裝在一幢大樓上，其中一臺燈具出現此故障，后面的燈全部不亮，將是滅頂之災，使用吊機高空作業售后維護價格高昂不可估量。

1.3.2 方案二：增加獨立地址線

在3針DMX線中增加2針獨立線作為寫地址，DMX通信與寫地址操作可同時進行，互不影響，燈具更穩定可靠。

綜合上述論證，選擇方案二最優。

2 系統設計

2.1 電源線和信號線電纜設計

選擇了上述方案二后，在3針DMX線中增加2針獨立線寫地址，為讓工程安裝燈具時布線更方便，走線更整潔，需對電纜線重新設計。現把DMX線、寫地址線、電源線三者合一，做成一根整體的電纜線，解決燈具安裝施工的多布線難題。三合一的線材結構剖面圖如圖2所示，圖中左邊是插頭，方便插入到另一臺燈中。

圖2中的三合一電纜線，與燈具組裝時很方便。

圖3 電纜與燈具組裝圖

如圖3所示，其中電纜一端開皮，并通過電纜索頭固定在燈具上，電纜另一端為母插頭，插入到下一臺燈具的公插座上。總體上看，電源及信號從燈具的公插座進入，再從電纜的母插頭出來，級聯到下一臺燈具。

圖4是該三合一電纜線的接口結構及信號腳定義，其中第1腳AGND是信號屏蔽層，阻隔外界及電源線對信號的干擾，同時作為DMX信號的地線。第2和第3腳是DMX信號線，第4和第5腳是寫地址信號線。第L腳是電源火線，第N腳是電源零線，第E腳是電源地線。

圖4 電纜線的接口結構及信號腳定義

2.2 原理框架設計

為實現自動分配地址目的，采用以下技術方案予以實現。

圖5 原理框圖

如圖5所示，一種自動批量分配地址的控制系統，包括控制盒、多個控制單元、通信信號線。控制盒、多個控制單元通過通信信號線順次連接，還包括地址信號線。每個控制單元連接有地址接收模塊、地址發送模塊。與控制盒相連的控制單元所連接的地址接收模塊通過地址信號線與控制盒相連，其他控制單元所連接的地址接收模塊依次通過地址信號線與上一個控制單元所連接的地址發送模塊相連。

在控制盒設置好起始地址，與控制盒通過通信信號線連接的控制單元為第一控制單元，與第一控制單元通過通信信號線相連的控制單元為第二控制單元。第一控制單元所連接的地址接收模塊、地址發送模塊分別為第一地址接收模塊、第一地址發送模塊[4-5]。第二控制單元所連接的地址接收模塊、地址發送模塊分別為第二地址接收模塊、第二地址發送模塊，以此類推。具體的自動分配地址過程如下。

（1）控制盒通過地址信號線將起始地址發送到第一地址接收模塊，第一地址接收模塊將接收到的起始地址發送到第一控制單元，也即第一控制單元被分配到了起始地址。

（2）第一控制單元根據起始地址生成第二地址并發送到第一地址發送模塊，第一地址發送模塊將接收到的第二地址通過地址信號線發送到第二地址接收模塊，第二地址接收模塊又將接收到的第二地址發送到第二控制單元，也即第二控制單元被分配到了第二地址。

（3）第二控制單元根據第二地址生成第三地址并發送到第二地址發送模塊，第二地址發送模塊將接收到的第三地址繼續通過地址信號線傳輸到下一個控制單元所連接的地址接收模塊，以此類推。

按照上述的自動分配地址過程，可以實現在控制盒給定初始地址的基礎上，各個控制單元依次自動分配地址。在不改變傳統的通信信號線的基礎上，另外增加2針獨立的地址信號線，可以在控制盒和控制單元之間以及不同控制單元之間同時進行通信和自動分配地址。

2.3 地址收發模塊接口

圖6是改進后的DMX512協議通信接口，其中J1是地址接收模塊接口，J2是地址發送模塊接口。在本實施例中控制盒與控制單元之間、不同控制單元之間采用DMX512協議進行通信。圖6的改進后接口與圖1的現有DMX512協議通信接口相比，地址接收模塊J1在兩個DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一個接地接口的基礎上增加了兩個地址通信接口（AddrA-I、AddrB-I），地址發送模塊J2在兩個DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一個接地接口的基礎上增加了兩個地址通信接口（AddrA-O、AddrB-O）。地址接收模塊J1和地址發送模塊J2的地址通信接口分別通過地址信號線連接起來進行地址分配。

圖6 改進后的DMX512協議通信接口

2.4 地址接收模塊

地址接收模塊J1原理圖如圖7所示，地址接收模塊包括RS-485收發器U2、光耦U1，控制盒或上一個控制單元所連接的地址發送模塊、地址信號線、RS-485收發器U2、光耦U1、控制單元依次連接。

當地址接收模塊J1將接收到的初始地址或新地址發送到控制單元時，地址會傳輸到RS-485收發器U2的輸入端，觸發RS-485收發器U2的輸出端電平信號發生變化，要發送到控制單元的地址信息則記錄在電平信號的變化中。根據RS-485收發器U2的電平信號變化，控制光耦U1的亮和不亮，從而向控制單元輸入變化的電平信號，也即將地址信息輸入到控制單元中。

圖7 地址接收模塊J1原理圖

如圖7所示，在具體的實施過程中，所述光耦U1型號可以為EL817S-B，地址通信接口AddrA-I、AddrB-I分別連接RS-485收發器U2的A腳、B腳，RS-485收發器U2的2腳和3腳接地作為使能設置，使得RS-485收發器U2處于接收模式，RS-485收發器U2的R腳連接光耦U1的2腳，光耦U1耦合端的3腳接地，4腳分別連接上拉電阻R3和控制單元。

RS-485收發器U2的A腳、B腳分別接收地址通信接口AddrA-I、AddrB-I傳輸的電壓VA、VB。當VB-VA≥0.2?V時，R腳輸出高電平，光耦U1內部不亮，光耦U1的耦合端3腳、4腳互不相通，4腳被電阻R3上拉，控制單元輸入高電平；當VB-VA≤﹣0.2?V時，R腳輸出低電平，光耦U1內部發亮，光耦U1的耦合端3腳、4腳導通，4腳電平為0，控制單元輸入低電平。

DZ1是晶體快速放電管，使用在戶外燈上時若遇雷擊，就會起到快速放電防雷保護作用。R2是上拉電阻，R6是下拉電阻，共同作用下可以使得由地址信號線輸入RS-485收發器U2輸入端的電平信號更加穩定。C1是U2的濾波電容，使U2的供電無雜波干擾。R1是限流電阻，給U1內部發光管一個合適的電流。R4和R5作用是阻抗匹配，可以使地址信號線與RS-485收發器U2之間的電阻相匹配，抑制地址信號線信號反射。

2.5 地址發送模塊

地址發送模塊J2原理圖如圖8所示，地址發送模塊J2包括RS-485收發器U4、光耦U3，控制單元、光耦U3、RS-485收發器U4、地址信號線依次連接。

地址發送模塊J2會接收控制單元信息并發送的新地址。新地址記錄在變化的電平信號中并傳輸到光耦U3中，控制光耦U3的亮和不亮，從而將電平信號變化傳輸到RS-485收發器U4的輸入端，觸發RS-485收發器U4的輸出端電平信號發生變化。RS-485收發器U4輸出端的電平信號變化通過地址信號線傳輸到下一個控制單元所連接的地址接收模塊J1。

圖8 地址發送模塊J2原理圖

如圖8所示，在具體的實施過程中，所述光耦U3型號可以為EL817S-B，地址通信接口AddrA-O、AddrB-O分別連接RS-485收發器U4的A腳、B腳，RS-485收發器U2的2腳和3腳連接5?V的電源作為使能裝置，使得RS-485收發器U2處于發送模式，光耦U3耦合端的4腳連接RS-485收發器U4的D腳，光耦U3的2腳連接控制端，1腳連接上拉電阻R10。A腳、B腳分別向地址通信接口AddrA-O、AddrB-O傳輸電壓VA、VB。

當控制單元發出低電平時，光耦U3內部發亮，耦合端3腳、4腳導通，4腳電平為0，此時RS-485收發器U4的D腳電平為0，A、B腳輸出滿足﹣6 V≤VB－VA≤﹣2 V的差分信號到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通過地址發送模塊J2發送到下一個控制單元所連接的地址接收模塊J1；當控制單元發出高電平時，光耦U3內部不亮，耦合端3、4腳不通，4腳被R12上拉為高電平，此時RS-485收發器U4的D腳電平為高電平，A、B腳輸出滿足6 V≥VB－VA≥2 V的差分信號到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通過地址發送模塊J2發送到下一個控制單元所連接的地址接收模塊J1。

DZ2是晶體快速放電管，使用在戶外燈上時若遇雷擊，就會起到快速放電防雷保護作用。R7是上拉電阻，R11是下拉電阻，共同作用使輸出到地址線的A、B信號更穩定，不被干擾。C2是U4的濾波電容，使U4的供電無雜波干擾。R12是限流電阻，給U3內部發光管一個合適的電流。R8和R9作用是阻抗匹配，抑制地址信號線信號反射。

3 軟件控制設計

3.1 軟件控制流程圖

在每個燈體內設置有控制單元、地址接收模塊J1、地址發送模塊J2，某一個燈體內的地址接收模塊J1接收由控制盒發出的初始地址或上一個燈體內的地址發送模塊J2發出的地址，然后將其傳輸到本燈體內的控制單元中，該控制單元生成新的地址后，通過本燈體內的地址發送模塊J2發送到下一個燈體內的地址接收模塊J1，從而將地址依次分配給各個燈體。

分配好地址后，控制盒可以發出各個燈體的顏色、亮度等要求，通過通信信號線依次傳遞到每一個燈體內的控制單元，控制單元再根據要求控制光源的顏色、亮度。

圖9 軟件控制流程圖

如圖9所示，在具體地址分配的過程中，以采用DMX512協議實現通信為例，首先要在控制盒上設置好DMX起始地址（通常默認設置為1）以及每組最大照明燈的數量（同一串聯的照明燈里，由于最多只有512通道，因此最多可設置512組，此時每組照明燈數量只有1臺，如果只設置1組，則同一組內的照明燈數量最多可達512臺），控制盒內所設置好的DMX起始地址和每組最大照明燈的數量通過地址信號線發送到與控制盒相連燈體內的地址接收模塊，該燈體內的地址接收模塊在接收到DMX起始地址及DMX每組最多照明燈數量的數據后，控制單元對本照明燈的DMX起始地址進行設置，之后判斷已設置好DMX起始地址的照明燈數量是否超過組內的最大照明燈數量。如果沒有超過，則DMX起始地址保持不變，已設置好DMX起始地址的照明燈數量增加1；如果已經超過，則DMX起始地址增加本組照明燈的通道數，已設置好DMX起始地址的照明燈數量重新置1。最后將DMX起始地址和已分配好DMX起始地址的照明燈數量通過地址發送模塊通過地址信號線發送給下一臺串聯燈體內的地址接收模塊，如果沒有再繼續串聯的燈體則DMX起始地址分配完成。

3.2 自動分配地址實例

例如，假設某自動批量分配地址的照明系統串聯10臺照明燈，并且采用DMX512協議進行通信，分別給1～10的編號，在控制盒中設置DMX起始地址為1，以2臺燈為一組，每臺燈具的通道數為1，則1號燈和2號燈的DMX起始地址為1，3號燈和4號燈的DMX起始地址為2，5號燈和6號燈的DMX起始地址為3，7號燈和8號燈的DMX起始地址為4，9號燈和10號燈的DMX起始地址為5。如果控制盒設置DMX起始地址為5，以5臺燈為一組，每臺燈具的通道數為2，則1～5號燈的DMX起始地址為5，6～10號燈的DMX起始地址為7。

4 成功案例

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美獅美高梅配合本方案燈光系統，以嶄新科技為賓客重新定義藝術及娛樂體驗。每當夜幕降臨，本方案燈光系統把美獅美高梅點亮，上演一場夢幻的光影交匯的燈光盛宴，帶給人們無上的視覺感受，體驗一場美輪美奐、驚艷十足的獨具匠心的視覺盛宴。

5 結論

本燈光控制系統為了克服上述現有技術缺陷（不足），提供一種自動批量分配地址的控制系統及照明系統，在不影響各個控制單元之間通信的基礎上，可批量快速地為每個控制單元分配地址。

與現有技術相比，本控制系統技術方案的有益效果是如以下。

（1）通過在原有通信信號線的基礎上，增加地址信號線，并且每個控制單元設置地址接收模塊、地址發送模塊，可以同時進行控制盒和控制單元之間、不同控制單元之間的通信和地址分配。

（2）通過在照明系統中設置可自動分配地址的控制系統，可以自動批量地對照明系統中的各個照明燈分配地址，無需工作人員逐個照明燈及進行手工設置地址。

（3）通過對DMX線、寫地址線、電源線三者合一技術改造，做成一根整體的電纜線，解決燈具安裝施工多布線難題。以工程案例證實，本方案工作穩定，能產生更大的經濟效益。

[1]Bob Dobkin，Jim Williams. Analog Circuit Design[M].張徐亮，朱萬經，于永斌，譯. 北京：人民郵電出版社，2016.

[2]謝詠冰. 舞臺燈光工程設計技術研究及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[3]姜海. 建筑電氣工程設計分項突破系列動力和照明系統設計[M]. 北京：中國電力出版社，2016.

Automatic Batch Allocation Address Control System and Lighting System

Lan Baonian

Guangzhou Golden Sea Electronics Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511400

Traditional DMX luminaire communication communication networks usually set the address of each lamp manually by dialing and other methods. Automatic assignment of network addresses has always been a problem. If the conventional method is used to set the DMX address for each lamp one by one, it takes too much time and the efficiency is too low. Design a control system that can quickly and automatically set the DMX start address in batches to improve work efficiency. Independent address signal line, address sending module, address receiving module, control unit, etc. are used to achieve automatic batch allocation of addresses. Verified by large-scale engineering cases, the operation is convenient and stable.

lighting system; RS-485; DMX512; communication address; automatic allocation

TP311.52；TN925；TU113.66

A

藍抱年（1984—），男，電子工程師，主要研究方向為舞臺燈具技術研發。