劇場中舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)

王 濤，蔣其泓

（中國藝術(shù)科技研究所，北京 100061）

劇場中舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)

王 濤，蔣其泓

（中國藝術(shù)科技研究所，北京 100061）

介紹一款舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：多串口設(shè)計(jì)、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸阻塞的自動(dòng)判別設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)。

舞臺(tái)燈光；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；控制器；串口；劇場

1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器的總體介紹

在舞臺(tái)藝術(shù)效果呈現(xiàn)技術(shù)手段不斷提升的今天，各類智能燈具的應(yīng)用日趨成熟，規(guī)模數(shù)量也日趨龐大，以往的燈光控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足于使用需求。燈光網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)因其超強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力、糾錯(cuò)能力和設(shè)備加載擴(kuò)充能力，已被應(yīng)用在很多新建的大、中型劇場中（系統(tǒng)示意圖見圖1）。在舞臺(tái)燈光控制室、可控硅室、假臺(tái)口、天橋和柵頂?shù)汝P(guān)鍵部位都設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)，配置了強(qiáng)大功能的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但要使得這些劇場中的燈光設(shè)備能完全加入到這整套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中來，有一樣關(guān)鍵性的設(shè)備是不可缺少的，那就是燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器。

圖1 典型的網(wǎng)絡(luò)燈光控制系統(tǒng)示意圖

筆者研發(fā)這款舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器，是通過專用燈光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Art-Net與ACN），將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)映射并最終轉(zhuǎn)換成普通的DMX燈光協(xié)議，把網(wǎng)絡(luò)燈光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成多個(gè)串口數(shù)據(jù)并分送到各個(gè)設(shè)備上，使得終端的普通燈光設(shè)備也都能加入到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。而在后期的型式實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用的實(shí)踐中，我們又不斷地對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，主要在三方面做了更深層次的研究和性能提升：

（1）提出了多串口的FPGA（Field－Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）實(shí)現(xiàn)方法，由普通的軟件實(shí)現(xiàn)向用硬件可編程方式實(shí)現(xiàn)，這種方式可以滿足每個(gè)串口都能夠隨時(shí)雙向發(fā)送接收頻率為250 kb/s的DMX512信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)8個(gè)獨(dú)立的DMX512通道傳輸。

（2）由于燈光數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上非常多并且實(shí)時(shí)性要求很高，為了防止網(wǎng)絡(luò)阻塞，研究了FPGA上對(duì)串口信號(hào)變化及時(shí)反應(yīng)，在燈光數(shù)據(jù)未發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸間隔，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。

（3）選擇了更合適的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，實(shí)現(xiàn)了10 M/100 M以太網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)和端口AutoMDI/MDIX自適應(yīng)功能。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器的多串口設(shè)計(jì)

由FPGA來實(shí)現(xiàn)多個(gè)串口。FPGA本身資源比較豐富，緩沖內(nèi)存可以做在FPGA內(nèi)部，簡化了電路又便于維護(hù)。應(yīng)用FPGA就是將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成各個(gè)模塊，8個(gè)雙口RAM模塊分別對(duì)應(yīng)8個(gè)串口，每個(gè)串口模塊都能夠根據(jù)設(shè)置狀態(tài)寄存器的值來實(shí)現(xiàn)發(fā)送串口或者接收串口。在將某個(gè)串口設(shè)成發(fā)送的模式下，串口模塊由FPGA的定時(shí)器部分來決定每隔30 ms發(fā)一幀。我們選擇信號(hào)幀的周期是30 ms是有原因的，一個(gè)DMX512信號(hào)幀，是由一個(gè)頭是88 μs的低電平，加上零號(hào)數(shù)據(jù)，再加上512個(gè)燈光數(shù)據(jù)組成，而每一個(gè)數(shù)據(jù)又都是由11位組成，其中1個(gè)啟始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，最后2個(gè)結(jié)束位。保持250 kb/s的速率發(fā)送的話，算出一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間是44 μs，那么一般情況下大約23 ms就可以發(fā)完一幀數(shù)據(jù)。還要考慮數(shù)據(jù)的幀和幀之間再留一些時(shí)間的空余，那么串口模塊30 ms發(fā)一幀完全符合設(shè)計(jì)要求。而MCU（Microcontroller Unit，微控制單元，又稱單片機(jī)）只需要燈光數(shù)據(jù)更新的時(shí)候才會(huì)把數(shù)據(jù)寫入每個(gè)串口所對(duì)應(yīng)的雙口RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存儲(chǔ)器）中，由串口模塊定時(shí)將其中數(shù)據(jù)讀走并按照固定幀格式發(fā)送出去。因此，這種機(jī)制使得MCU不需要將大量寶貴的系統(tǒng)時(shí)間花費(fèi)在數(shù)據(jù)的搬運(yùn)上，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更有效率、更加準(zhǔn)確，從而提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)了幾個(gè)主要應(yīng)用模塊：雙口RAM模塊（見圖2），串口發(fā)送模塊，串口接收模塊。

3 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸阻塞的自動(dòng)判別設(shè)計(jì)

因?yàn)榇司W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器可以支持4到8個(gè)串口，具體每個(gè)串口是收還是發(fā)的狀態(tài)，由串口模塊寄存器里的值所決定。這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，當(dāng)所有的串口都被設(shè)成是接收狀態(tài)時(shí)，就會(huì)使得這些串口都幾乎同時(shí)向雙口RAM里寫數(shù)據(jù)。為了保持燈光數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，MCU這時(shí)的首要任務(wù)就是盡快將數(shù)據(jù)從雙口RAM中提取出來，并打包成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，再通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。而每一個(gè)串口收到的數(shù)據(jù)幀和幀之間的間隔可能也就在25 ms到30 ms左右，這時(shí)候的數(shù)據(jù)流量將會(huì)變得異常大，MCU的整體數(shù)據(jù)處理能力畢竟有限，此時(shí)系統(tǒng)將會(huì)變得異常繁忙，這種情況對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性來說是非常危險(xiǎn)的。一般說來，控制臺(tái)發(fā)過來的DMX512數(shù)據(jù)，沒有辦法去減少或者限制，很可能就是一幀接著一幀連綿不斷。那么有可能避免MCU系統(tǒng)的過度疲勞嗎？筆者想從產(chǎn)品的實(shí)際工作情況中找辦法。

從一般舞臺(tái)燈光控制的經(jīng)驗(yàn)來看，一場晚會(huì)或一次表演每一路燈光數(shù)據(jù)并不是時(shí)時(shí)刻刻在變化的，雖然DMX512信號(hào)數(shù)據(jù)是一幀一幀連續(xù)不斷地發(fā)出的，但是大部分的時(shí)間里，其信號(hào)數(shù)據(jù)值是相同的。如果FPGA能夠自己判斷出前后兩幀數(shù)據(jù)是否相同，那么這個(gè)問題也就迎刃而解了。這種方法的思路就是：如果前后兩幀數(shù)據(jù)值相同，MCU就可以不理會(huì)，不向網(wǎng)絡(luò)發(fā)新的數(shù)據(jù)包；如果它們不同，MCU再更新數(shù)據(jù)包。這樣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將會(huì)大大減少，MCU為搬動(dòng)數(shù)據(jù)而花費(fèi)的系統(tǒng)處理時(shí)間也會(huì)大大減少。

怎么比較呢？因?yàn)榇藭r(shí)雙口RAM的切換操作控制權(quán)交給了MCU，F(xiàn)PGA本身并不能直接控制當(dāng)前提取的是哪一塊的內(nèi)容。但筆者分析發(fā)現(xiàn)，可以通過合理的方法來設(shè)計(jì)雙口RAM模塊功能來解決。因?yàn)榇谥忻恳粋€(gè)接收進(jìn)來的字節(jié)數(shù)據(jù)是放在一個(gè)特定的變量里，而根據(jù)設(shè)計(jì)的雙口RAM的特性來看，前一幀的相同路徑的數(shù)據(jù)放入雙口RAM后將會(huì)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)的UART_RAM1_b變量里（見圖3），通過此變量數(shù)據(jù)和當(dāng)前雙口RAM單元中數(shù)據(jù)比較，就可以判斷前后兩幀燈光數(shù)據(jù)是否相同了。

圖2 quartus環(huán)境里設(shè)計(jì)的雙口RAM模塊

4 有關(guān)接口的設(shè)計(jì)

本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器使用了W3150A加上RTL8201的組合（見圖4）。W3150A是一款硬件協(xié)議棧芯片，該芯片符合高速的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)連接方案，同時(shí)將TCP/IP等協(xié)議棧嵌入到硬件當(dāng)中。它的基本功能是將并行的8/16位數(shù)據(jù)或高速串行數(shù)據(jù)加以處理，將數(shù)據(jù)以TCP/IP或者以UDP/IP等協(xié)議傳給以太網(wǎng)控制芯片，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳輸。RTL8201是專門用于以太網(wǎng)對(duì)接的芯片，它是一個(gè)單端口的物理層收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了全部的10 M/100 M以太網(wǎng)物理層功能，提供全/半雙工操作、支持雙絞線和光纖的輸出。

5 產(chǎn)品測試和系統(tǒng)分析

網(wǎng)絡(luò)連接和燈光網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（Art-Net）的實(shí)現(xiàn)，我們使用了ARTNET網(wǎng)站上的ArtView軟件來測試，這個(gè)軟件是免費(fèi)提供的。在一臺(tái)PC機(jī)上安裝此軟件，打開將會(huì)出現(xiàn)以下畫面（見圖5）：

用一根交叉8芯普通五類網(wǎng)線將PC機(jī)和本以太網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器相連，將PC機(jī)網(wǎng)卡的IP地址設(shè)成：2.0.0.1，此軟件界面就會(huì)顯示出已經(jīng)連接上了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接器（見圖6）。其左下角的工具欄里就會(huì)出現(xiàn)，有燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連在網(wǎng)絡(luò)上，IP地址是2開頭的。

5.1 第一步

第一步：接收DMX512數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成燈光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)至以太網(wǎng)的測試。

用一個(gè)燈光控制臺(tái)發(fā)送DMX512信號(hào)給轉(zhuǎn)接器的任意一個(gè)RS-485串口端，和此控制臺(tái)相連的串口設(shè)置成接收狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)換成Universe1的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)接器通過網(wǎng)線和PC機(jī)是相連的。如果轉(zhuǎn)接器工作正常，在PC機(jī)的這個(gè)測試軟件上就可以看出512路信號(hào)的每一個(gè)值。控制臺(tái)發(fā)出的512路燈光亮度信號(hào)是32%時(shí)，軟件數(shù)據(jù)界面如下（見圖7）。

界面左下角可以看到，這512路數(shù)據(jù)是放在燈光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的組Universe1里，每一路的值都收到并且顯示32%，接收到的數(shù)據(jù)完全正確了。

圖3 用Modemsim仿真軟件模擬出的UART_RAM1_b變量波形

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口W3150A和FPGA EP1C6的連接系統(tǒng)圖

圖5 測試軟件主界面

圖6 測試軟件接收界面

圖7 測試軟件接收數(shù)據(jù)分析圖

圖9 示波器實(shí)際顯示1

5.2 第二步

第二步：由PC機(jī)發(fā)送燈光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包給節(jié)點(diǎn)控制器，并轉(zhuǎn)換成DMX512信號(hào)的測試。

還是使用一個(gè)專用測試軟件（見圖8），進(jìn)入發(fā)送菜單選擇Art-Net組Universe1。

接下來進(jìn)行DMX512信號(hào)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。將節(jié)點(diǎn)控制器的任意一個(gè)串口設(shè)為發(fā)送狀態(tài)，接收的燈光網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包是Universe1，那么串口就會(huì)自動(dòng)發(fā)送DMX512數(shù)據(jù)，用專用級(jí)示波器可以查看串口的數(shù)據(jù)格式（見圖9）。

圖8 測試軟件發(fā)送界面

圖10 示波器實(shí)際顯示2

從圖9可以看出DMX512的復(fù)位信號(hào)。根據(jù)文化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WH/T-2008《DMX512-A燈光控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》要求的復(fù)位信號(hào)最小值為92 μs，本產(chǎn)品是92 μs，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

從示波器顯示（見圖10）中，可以看到其中一路亮度數(shù)據(jù)單元，這個(gè)單元寬度是44 μs。

因?yàn)镈MX512的速率是250 kb/s，一個(gè)單元由包括起始位和停止位共11位，每一位是4 μs，完全符合DMX512數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過以上這些測試步驟，可以確定這款轉(zhuǎn)接器信號(hào)穩(wěn)定達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

本文提到的舞臺(tái)燈光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)控制器，因其設(shè)計(jì)特性特別適合應(yīng)用在智能燈具數(shù)量大并對(duì)燈光藝術(shù)效果要求高的演出場館，并且可靠性和安全性符合相關(guān)規(guī)范，現(xiàn)已經(jīng)在國內(nèi)大、中型場館中推廣和應(yīng)用。筆者也會(huì)不斷關(guān)注其應(yīng)用表現(xiàn)，持續(xù)升級(jí)改進(jìn)，使得此款產(chǎn)品在各類演出中發(fā)揮出更大的作用。

（編輯 張冠華）

Design of Stage Lighting Network Node Controller in Theater

WANG Tao, JIANG Qi-hong
(Chinese Art Science & Technology Institute, Beijing 100061, China)

In this paper, the author introduced the design features of a stage lighting network node controller, including the design of multi serial port design, the automatic identification design of data transmission congestion and the design of the network interface.

stage lighting; network node; controller; serial port; theater

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.12.002