基于DMX512協(xié)議的無線通信照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

智能照明控制系統(tǒng)可滿足人們對優(yōu)質(zhì)、高效、舒適的照明環(huán)境的要求，由于其可觀的節(jié)能效果及光源壽命的延長，可以降低運(yùn)行成本，極大改善了運(yùn)營維護(hù)人員工作條件，有效降低了維護(hù)的工作強(qiáng)度[1]。

DMX512協(xié)議(Digital MultipleX 512)，全稱為數(shù)字多路復(fù)用協(xié)議，廣泛應(yīng)用在舞臺燈光、景觀照明等場合。標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議設(shè)計(jì)用來從一個(gè)單獨(dú)控制器到一個(gè)或多個(gè)接收器之間傳遞重復(fù)的控制數(shù)據(jù)，控制調(diào)光器、其他燈光控制設(shè)備和相關(guān)的設(shè)備[2]。根據(jù)DMX512數(shù)據(jù)傳輸率的要求以及控制網(wǎng)絡(luò)的分散特點(diǎn)，其物理層的設(shè)計(jì)采用差分接發(fā)的方式，采用主從式結(jié)構(gòu)，總線用一對雙絞線實(shí)現(xiàn)調(diào)光臺與調(diào)光器相接。

標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議規(guī)定主從控制器采用雙絞線進(jìn)行通信，在實(shí)際應(yīng)用中存在著布線不便、施工難度大等問題。在一些特殊場合(比如大樓玻璃幕墻、水上燈光表演)，布線困難，且布線會(huì)影響美觀。建立無線的通信方式是解決以上問題的思路之一[3]。本文提出一種DMX512協(xié)議的擴(kuò)展方法，采用將無線通信和傳統(tǒng)雙絞線結(jié)合的通信方式，無線主控器與DMX512總線連接，主控制器和從控制器采用基于CC1101無線通信方式，主控制器將來自DMX512總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線形式發(fā)送給從控制器，從控制器作為單個(gè)的燈具節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)光操作。在布線困難的地方采用無線通信方式，從而解決了布線困難的問題。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 DMX512協(xié)議

DMX512協(xié)議最早是由美國劇院技術(shù)協(xié)會(huì)(USITT)制定，主要是解決舞臺、劇場等照明場合常用的調(diào)光設(shè)備互相兼容性的問題。

DMX512協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式通過異步通信的方式進(jìn)行傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)包由若干數(shù)據(jù)幀組成，每幀數(shù)據(jù)包括1位低電平起始位、8位數(shù)據(jù)位和2位高電平停止位。數(shù)據(jù)傳輸率為250 Kb/s，位速率的傳輸時(shí)間為4 μs，數(shù)據(jù)包按順序傳送，每個(gè)包最多容納513個(gè)數(shù)據(jù)幀(起始碼和最多512個(gè)通道數(shù)據(jù))[4]。DMX512協(xié)議幀格式如圖1所示。

圖1 DMX512的數(shù)據(jù)幀格式

1.2 無線通信選型

CC1101是一款針對極低功耗、射頻頻段在433/868/915 MHz應(yīng)用的無線傳輸芯片，能夠提供對數(shù)據(jù)包處理、接收信號強(qiáng)度指示、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)緩沖、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒等功能的硬件支持[5]。

CC1101具有可編程的數(shù)據(jù)傳輸速率，數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置范圍為1.2～500 kbps，滿足DMX512協(xié)議250 kbps的通信速率。CC1101工作頻段在387～464 MHz之間，CC1101的工作頻率可以進(jìn)行設(shè)置。多個(gè)無線發(fā)射機(jī)工作在同一頻段，如果同時(shí)工作時(shí)，無線接收機(jī)接收的信號會(huì)有串?dāng)_。CC1101的工作頻段較寬，可以將不同網(wǎng)絡(luò)的無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)置在不同的工作頻率，CC1101接收機(jī)只接收與自己頻率相同的信號，這樣多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_了[6]。

1.3 無線系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議規(guī)定主控制器和從控制器采用雙絞線進(jìn)行連接。本課題研究的無線設(shè)備是單個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)，無線主控制器為發(fā)射機(jī)，無線從控制器為接收機(jī)，主控器和從控制器采用無線的通信方式進(jìn)行通信。從控制器作為單個(gè)燈具控制節(jié)點(diǎn)，使燈具布局更加靈活。

系統(tǒng)整體框圖如圖2所示，一個(gè)DMX512系統(tǒng)內(nèi)采用有線通信和無線通信相結(jié)合的方式，DMX512主控制器是DMX512系統(tǒng)的主控制器，無線主控制器與DMX512總線連接，主控制器將DMX512信號轉(zhuǎn)換成無線通信格式發(fā)送給從控制器。從控制器收到控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，主控制器將有線信號轉(zhuǎn)換成無線信號。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

一個(gè)DMX512系統(tǒng)內(nèi)可以接入多個(gè)無線系統(tǒng)，將多個(gè)無線主控制器與DMX512總線進(jìn)行連接。如果多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)工作在同一個(gè)頻段，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線主控制器同時(shí)發(fā)送信號，從控制器接收的信號就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。CC1101的工作頻段較寬，將同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線主控制器和從控制器設(shè)置在同一個(gè)頻段，從控制器只接收同一頻段的主控制器的信號，不同頻段主控制器組成的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)產(chǎn)生干擾。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線主控制器和無線從控制器的MCU單元采用ST公司的芯片STMF103C8T6，它是采用Cortex-M3架構(gòu)的32位處理器，工作頻率可達(dá)72 MHz，具有64 KB的閃存程序存儲器和20 KB的SRAM，具有UART、SPI通信接口等，具有7個(gè)定時(shí)器，并且具有PWM輸出通道，滿足本課題的需求。

2.1 無線主控制器硬件設(shè)計(jì)

無線主控制器與DMX512總線相連接，主控制器的主要功能是將DMX512總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線通信格式發(fā)送給從控制器。硬件電路主要包括：MCU電路、電源電路、指示燈電路、地址分配電路、CC1101電路、調(diào)試電路、DMX512通信電路等。無線主控制器硬件框圖如圖3所示。

圖3 無線主控制器硬件框圖

① CC1101電路采用SPI方式與主控制器進(jìn)行通信。CC1101電路將接收到DMX512總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線數(shù)據(jù)格式發(fā)送給從控制器。

② 地址分配電路主要對DMX512無線從控制器進(jìn)行地址分配。

③ DMX512通信電路負(fù)責(zé)與DMX512主控制器建立通信，接收來自DMX512總線上的數(shù)據(jù)。

2.2 無線從控制器硬件設(shè)計(jì)

無線從控制器主要功能是接收主控制器的指令，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。無線從控制器的硬件電路主要包括：MCU電路、電源電路、指示燈電路、CC1101電路、LED驅(qū)動(dòng)電路等。無線從控制器硬件框圖如圖4所示。

圖4 無線從控制器硬件框圖

LED驅(qū)動(dòng)電路控制芯片選用NCL30160，這是安森美半導(dǎo)體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流驅(qū)動(dòng)器[7]，電流提升到了1.5 A，損耗非常低，支持PWM數(shù)字脈沖調(diào)光方式。當(dāng)無線從控制器接收到調(diào)光數(shù)據(jù)時(shí)，改變相應(yīng)通道PWM輸出占空比從而改變LED 亮度。CC1101電路主要是與無線主控制器建立通信，接收主控制器的指令。指示燈電路指示程序運(yùn)行的狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線主控制器軟件設(shè)計(jì)

無線主控制器采用層次化的軟件設(shè)計(jì)方法，將程序分為三層：驅(qū)動(dòng)層、接口層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層完成和硬件相關(guān)的交互，接口層完成通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，應(yīng)用層則根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行功能定制。

3.1.1 功能需求

無線主控制器將來自DMX512主控制器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線通信格式發(fā)送給從控制器。主控制器可以對從控制器進(jìn)行無線參數(shù)設(shè)置。根據(jù)主控制器的設(shè)計(jì)要求，其軟件功能主要包括：①接收DMX512總線上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析；②將DMX512的控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線數(shù)據(jù)格式發(fā)送給從控制器；③對無線設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并且進(jìn)行配對；④對無線從控制器進(jìn)行地址分配。

3.1.2 任務(wù)劃分

根據(jù)功能需求，對主控制器的軟件進(jìn)行任務(wù)劃分如下：

① DMX512數(shù)據(jù)接收任務(wù)：對來自DMX512總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

② DMX512數(shù)據(jù)解析任務(wù)：對接收到的DMX512數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷是否為調(diào)光指令類型。如果是調(diào)光指令，則截取相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；如果是無線設(shè)備地址分配指令或者無線參數(shù)設(shè)置指令，則將相應(yīng)的標(biāo)志位置位。

③ 地址分配任務(wù)：對無線系統(tǒng)內(nèi)的無線從控制器進(jìn)行地址分配操作。

④ 無線參數(shù)配置任務(wù)：對無線系統(tǒng)內(nèi)的主控制器和從控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置無線設(shè)備的通信頻率、跳頻信道等。

⑤ 無線設(shè)備配對任務(wù)：對無線從控制器進(jìn)行配對，保存無線從控制器的設(shè)備信息。

根據(jù)程序的任務(wù)劃分，無線從控制器的程序流程圖如圖5所示。DMX512數(shù)據(jù)包中用起始碼定義數(shù)據(jù)包的功能，標(biāo)準(zhǔn)DMX512數(shù)據(jù)包的起始碼為0x00，如果定義無線參數(shù)設(shè)置和無線設(shè)備配對功能，只需要定義相應(yīng)功能的起始碼。

圖5 無線主控制器流程圖

3.2 無線從控制器軟件設(shè)計(jì)

無線從控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，將每個(gè)功能模塊劃分為不同的層次，分別實(shí)現(xiàn)各自的功能。

根據(jù)無線從控制器的功能，將程序任務(wù)劃分為PWM調(diào)光任務(wù)和通信任務(wù)。PWM調(diào)光任務(wù)根據(jù)接收的DMX512調(diào)光數(shù)據(jù)更新PWM輸出信號的占空比。通信任務(wù)主要接收、解析來自無線主控制器的數(shù)據(jù)，并對相應(yīng)指令進(jìn)行相應(yīng)操作。無線從控制器的流程圖如圖6所示。

圖6 無線從控制器程序流程圖

結(jié) 語