基于DMX512的LED智能舞台灯具的设计

基于DMX512的LED 智能舞台灯具的设计

范文飞，黄运生，陈　学

（中南大学信息学院，湖南　长沙　４１００８３）

摘 要：本文以ＤＭＸ５１２为基本的数据传输协议，采用双向隔离放大器，具有大电流、低功耗的ＬＭ３４０４ＨＶ为ＬＥＤ驱动器，以

Ｃ８０５１Ｆ４１０为核心控制器，以ＳＮ７５１７６为总线收发器，介绍了现代智能ＬＥＤ灯具的相关硬件和软件设计技术。基于双向隔离放大器，本文将普通的单工ＤＭＸ５１２网络扩展为半双工的双向通信网络，使灯具的使用更加方便和智能。同时通过定时中断完成键盘扫描，达到了快速灵敏的反应效果，使人机接口更加人性化。

关键词：智能灯具；ＤＭＸ５１２；ＬＥＤ；双向隔离放大；Ｃ８０５１Ｆ４１０

中图分类号：ＴＰ３０２．１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０１－００８２－０４

Design of Intelligent Stage LED Light Based on DMX512

FAN Wen-fei, HUANG Yun-sheng, CHEN Xue

( College of Information Central South University, Changsha 410083 China )

Abstract: This paper describes the hardware and software design of the intelligent LED light. Its data transfer protocol is based on

the DMX512, and it is designed with double-sided isolation amplifiers whose baud rate is adaptive, and the core CPU is C8051F410. The LED driver is LM3404HV that owns high current and low power consumption features, SN75176 is the DMX bus transceiver. And with the scanning of keyboard which is drived by timed-interrupt, the light is very sensitive,its reaction is rapid and its operation is more human.

Key words: intelligent light; DMX512; LED; doubled-sided isolation amplifiers; C8051F410

收稿日期：２０１０－０９－１６

１ 引言

舞台灯光控制系统绝大部分是基于ＤＭＸ５１２协议的。ＤＭＸ５１２是ＵＳＩＴＴ（Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｈｅ－ａｔｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）于１９８６年为灯光设备提出的标准控制协议［１］，它规定在双绞线上传输５１２个字节的灯具调光以及位置信息等。遵循该标准设计的产品相互兼容，可以挂接到同一个ＤＭＸ５１２控制系统中，从而使使用简单方便，扩展性好。舞台灯光控制系统一般由控台和灯具组成，如图１所示。

在一般的灯光系统中，灯具只需接收由控台发来的调光等信息。而本智能灯具不仅可以正常接收普通控台发出的调光指令，还可以接收由配套控制器发出的修改灯具地址、读取灯具运行参数等命令，并回复相关信息，即一般的灯光系统属于单工总线，本智能灯具不仅

图１ 舞台灯光控制系统组成

支持单工运行模式，还可运行于半双工模式。

２ 硬件设计

灯具硬件结构如图２所示。核心控制器采用Ｃ８０５１Ｆ４１０；通过４８５总线收发器将Ｃ８０５１Ｆ４１０的ＵＡＲＴ０转换为４８５接口从而连接到灯光控制系统中；可以通过按键和数码管来设置灯具的运行参数；本灯具包含两个温度传感器（ＬＥＤ灯珠板温度传感器和主控制板温度传感器），

从而实时监视两部分温度；主控制板上扩展了Ｉ２Ｃ接口

的Ｅ２ＰＲＯＭ，对灯具运行参数进行永久性存储。

２．１ 核心控制器

本灯具核心控制器采用Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌａｂｓ公司的高速混

合信号控制器Ｃ８０５１Ｆ４１０［２］。智能灯具包含两路温度信

号、Ｉ２Ｃ总线扩展Ｅ２ＰＲＯＭ、ＳＰＩ接口扩展按键及数码

管显示，并考虑产品化的成本问题，故选用Ｃ８０５１Ｆ４１０

作为核心控制器。其特点如下：

◆　高速、流水线结构的８０５１兼容的ＣＩＰ－５１内

核（可达５０ＭＩＰＳ）。

◆　可编程计数器阵列（ＰＣＡ），可用来产生８位和

１６位分辨率的ＰＷＭ。

◆　内部集成高精度振荡器２４．５ＭＨｚ±２％，减少

外部震荡电路的电磁干扰。

◆　提供可ＩＳＰ以及在线调试的Ｃ２接口，仅占用

两个管脚，并可复用。

２．２ DMX512信号收发单元

ＤＭＸ５１２标准规定数据链路采用“ＥＩＡ－４８５－Ａ”

标准，即其数据链路实际为ＲＳ４８５总线。本灯具的收

发单元采用ＴＩ公司的ＳＮ７５１７６，收发电路原理图如图

图２ 硬件框图

图３ ４８５总线收发器

３所示。

４８５总线为半双工差分串行总线，收发器在４脚（ＲＥ）

和５脚（ＤＥ）的控制下可以处于接受和发送两种状态［３］。

设计时，将ＲＥ和ＤＥ连接起来，由Ｃ８０５１Ｆ４１０的Ｐ２．０进

行控制。在初始状态下，每一个灯具都处于接收状态，只

有在接收到对本机操作的命令时，才设置为发送状态，并

发送应答信息。

２．３ LED驱动器

ＬＥＤ驱动器采用国家半导体的ＬＭ３４０４ＨＶ，其具有

输入电压宽（６Ｖ￣７５Ｖ）、输出电流大（最大为１．２Ａ）、反馈

电压低、功耗小、ＰＷＭ调光等优点［４］。驱动器电路原

理图如图４所示。

ＰＷＭ１接Ｃ８０５１Ｆ４１０的ＰＣＡ输出管脚。将Ｃ８０５１Ｆ４１０

的ＰＣＡ的模块一配置为８位ＰＷＭ输出模式，则可以非

常方便的对ＬＭ３４０４ＨＶ进行控制。Ｒ＋、Ｒ－为驱动电

流的输出端，后接ＬＥＤ灯珠，通过ＰＷＭ的占空比可以

对流过ＬＥＤ灯珠的电流进行控制，从而控制灯珠的亮

度。在本灯具中，包含三个此类驱动电路，分别驱动红

色ＬＥＤ、绿色ＬＥＤ和蓝色ＬＥＤ，在８位ＰＷＭ控制下，

每一种颜色的亮度共有２５６种（包括熄灭），从而共有

２５６＊２５６＊２５６种ＲＧＢ颜色混合系统。

２．４ 双向隔离放大器

上文已述，ＤＭＸ５１２在数据链路层采用的是ＥＩＡ－

４８５－Ａ标准。４８５总线的最大负载数是３２，当负载增

加时，必须增设中继器（隔离放大器）。在如今的舞台灯

光系统中，几乎所有的隔离放大器都是单向的。对于

本智能灯具，不仅需要从控台接收数据，还可以响应其

他控制设备的命令并回复相应信息，所以本智能灯具

图４ LED驱动电路