淺談DMX512 LED 水下燈在音樂噴泉中的運用

晏鋼強，黃世平，鄭楊昆

(重慶新源輝光電科技有限公司，重慶 400040)

1 DMX512 協議

DMX512 協議最先是由USITT(美國劇院技術協會)提出的在控制臺用標準數字接口控制調光器的方式。DMX512 超越了模擬系統，但不能完全代替模擬系統。DMX512 的簡單性、可靠性以及靈活性使其迅速成為資金允許情況下選擇的協議，除了調光器外，一系列不斷增長的控制設備就是證據。DMX512 仍然是科學上的一個新領域，具有在規則基礎上產生的各種奇妙技術。

1.1 DMX512 協議的概述

DMX512 是國際通用的一種高速數據傳輸的協議，采用RS485 硬件線路，與一般的RS485 通信有所不同。

(1)采用單向通信。DMX512 協議雖然能把不同廠家產品連接起來并實施控制，但由于只能單向傳輸，控制臺與燈具之間無法實現真正的信息交互，燈具只能被動地接收控制臺的控制信息，它自身的狀態信息不能反饋到控制臺。必須提前為每個燈具編寫好地址，以便燈具能準確無誤地接收控制指令。但由于信息幀結構中沒有傳輸地址，如果某一幀信號因干擾因素等而在傳輸中出現錯誤，那么此幀后面的所有信息均將誤傳，同時信息出錯后，燈具不能回饋出錯誤信息，這是DMX512 LED 水下燈很難排除信號干擾故障的主要原因。

(2)DMX512 通信需要傳輸一個88 μs 的低電平數據，作為一包數據的起始幀頭，接收方有間隙檢測電路，需找數據起始幀頭，無通信校驗。

(3)DMX512 通信的固定波特率為250 kbps，由于通信協議開放，效率可靠性高，在傳統舞臺行業廣泛運用，兼容DMX 512 通信接口已是大功率LED 照明控制系統里默認的選擇。

1.2 DMX512 的電氣特性

DMX512 采用EIA-485 標準。發送端:邏輯“1”以兩線間壓差+(2～6)V 表示;邏輯“0”以兩線間壓差為-(2～6)V 表示。接收端:A 比B 高200 mV 以上即認為是邏輯“1”;A 比B 低200 mV 以上即認為是邏輯“0”。

1.3 DMX512 協議詳解

DMX512 傳輸速率固定為250 kbps，每個數據位的時間是4 μs，每個字節是11 位，就是44 μs。因此512 個字節的數據傳輸時間為44×512=22.528 ms。

數據的幀頭通常是88 μs，數據的幀頭隨后是一個空閑幀，空閑幀時間長度是8 μs～1 ms，512 字節的數據包之前還有一個字節，表示設備的代號或自定義用途，通常是0，該字節的數據可用自動寫碼命令之用。

2 DMX512 LED 水下燈生產技術要求包括的主要內容

2.1 適應DMX512 控制結構要求的LED 燈布局和驅動控制電路

DMX512 LED 水下燈內置DMX512 解碼芯片與外接DMX512 控制臺及電腦的控制方式，可通過DMX512 控制臺或者電腦來實現對音樂噴泉DMX512 LED 水下燈的漸變、跳變、色彩閃爍、隨機閃爍、漸變交替等動態效果，并且通過DMX512 LED 水下燈地址設置的不同，可以實現其中任意DMX512 LED 水下燈點對點的獨立控制。大功率LED 水下燈，一般常有:6 W，12 W，18 W，24 W，36 W，48 W，54 W，64 W，72 W，108 W 等規格。DMX512 LED 水下燈控制系統示意圖見圖1。

圖1 DMX512 LED 水下燈控制系統

2.2 滿足DMX512 LED 水下燈要求的特殊密封結構和絕緣強度

由于LED 水下燈應用場合的特殊性，是在水下工作的電器產品，所以也有技術指標的特殊要求。首先LED 水下燈的防護等級必須達到IP68，也包括水下電纜接頭。這樣才能保證LED 水下燈具長期浸泡在水里而不漏水。其次，LED 水下燈浸在水中后，必須要求電纜線外接電端頭與燈具外殼間的絕緣電阻應≧2 MΩ。目的是保證燈具的絕緣強度達到基本的技術要求，杜絕漏電。這樣才能保證人員的人身安全及LED燈具的正常運行。

2.3 密封體內的熱量傳導體系

根據內部發熱量的大小設計出不同的內部熱傳導方式，解決大功率、密集型、高亮度芯片的散熱問題，提高每個LED 芯片的光利用效率和散熱性能。具體措施是增加導熱鋁基板，使芯片及驅動產生的熱量通過導熱系數較高的鋁基板傳導給燈殼，把80%的熱量傳到燈體外，延長LED 水下燈的使用壽命。

2.4 適應DMX512 LED 水下燈的供電電源

DMX512 LED 水下燈輸入電壓分DC 24 V 和AC 220 V兩種。

選擇電壓為DC 24 V 供電的，一般采用性能穩定，質量較好的開關電源供電，優點是安全可靠。缺點是電壓低電流大，導致整體線路上的電壓降增大，容易造成線路后端的電壓降低，導致線路后端燈的亮度降低甚至造成燈光熄滅。在實際運用中，應準確計算線路電流，選擇橫截面積足夠、正規的國標防水電纜，總體上來說，電纜線的成本較高。

選擇電壓為AC 220 V 直接供電的，雖然省去了降壓設備部分成本，線路電流較小，使用的電纜成本也相對降低，但安全性相對較差，且燈的驅動成本較高。

兩種方式供電，各有優點，也各有不足。在運用中，從安全和施工成本兩方面來綜合考慮，設計人員應對現場的實際情況進行分析后，再確定選擇哪種輸入電壓方式。

2.5 DMX512 水下燈的連接方式及編碼

(1)DMX512 LED 水下燈信號線的連接方式及寫碼方式。標準的DMX512 控制是以并聯方式連接的(圖2)，該種方式每個LED 燈必須設定各自信號的起始地址。有一種安裝上看起來像串行安裝，其實是并行的。并行安裝的走線方式使所有后面的接收端都并聯在DMX512 控制器的輸出線上，如果不寫入地址碼，就區分不出不同的接收端，只有區分出不同的接收端才可以實現對DMX512 LED 燈的點對點控制。并行信號的走線方式缺點是寫地址較麻煩，燈具安裝需對號入座。優點是能精確控制每一盞燈，如果某一解碼器出現故障也不會影響其他燈具的使用。

除了并行的傳輸方式外還有串行的傳輸方式(圖3)。串行的DMX512 解碼器上有信號輸入和信號輸出的接線端口，它是由上一盞燈的輸出接入到下一盞燈的輸入。串行的信號傳輸方式不需要人為寫入地址碼，上電后通過燈具的接線先后順序，解碼器自行分配地址碼。該種方式的優點是不需要寫入地址碼，安裝方便。缺點是在大型音樂噴泉的表演中編輯效果受到限制，且其中有一個解碼器出現故障，那么這一串后面的所有燈具將無法收到DMX512 控制器的信號。

(2)DMX512 LED 水下燈有自己獨立的地址碼，按照解碼器的不同，設定地址的方式也有一定差異。它的設定通常有兩種模式。一種是平時最常見的3線信號線，分別是信號正、信號負、地線。先將燈具地址一個一個寫好，然后依次安裝。這種寫碼方式寫入速度較慢，安裝也較為不便。另一種是平時不常見的5 線信號線，它除了信號正、信號負和地線外，還有2根專門用來寫地址的通信線。這種方式可以將燈具全部安裝好后再來統一寫地址。但這種方式就要求接線百分之百正確，一根線沒有連接正確都會導致寫碼不成功。

圖2 DMX512LED 水下燈并聯接線圖

圖3 DMX512LED 水下燈串聯接線圖

2.6 DMX512 控制LED 水下燈在運行過程中常見的問題及解決方案

2.6.1 變頻器干擾問題

變頻器是現在音樂噴泉控制部分不可缺少的器件之一，變頻器帶來的好處的同時也產生了干擾。DMX512 控制系統采用的是RS485 信號，RS485 總線采用差分平衡傳輸方式，對共模干擾有一定的抑制作用。但是由于變頻器應用的工業環境極其復雜，變頻器大多用于控制大型電機的高壓電力設備且電壓電流會有相應的變化，從而導致電磁干擾極其強烈，而通過485 線路進行數據通信時，485 線路通過所有的變頻器，從而導致通信線路比較長，而當通信線路經過大型電機等高壓電力設備，則會產生電位差，產生共模干擾，當共模干擾超過一定的程度，則會導致485 通信失敗。為解決變頻器干擾問題，可采取兩種方法。

采用屏蔽雙絞線。導線外部有導體包裹的導線叫屏蔽線，包裹的導體叫屏蔽層，一般為編織銅網或銅箔(鋁)，屏蔽層需要接地，這樣外來的干擾信號可被該層導入大地。屏蔽布線系統源于歐洲，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應防止電磁干擾及電磁輻射，屏蔽系統綜合利用了雙絞線的平衡原理及屏蔽層的屏蔽作用，因而具有非常好的電磁兼容(EMC)特性。屏蔽層主要避免干擾信號進入內層，同時降低傳輸信號的損耗。使用屏蔽線傳輸信號時，各節點的接頭應該穩定、可靠、正確且注意防水。同時，在一定的位置添加信號放大器防止信號衰減，在屏蔽線的末端添加與其匹配的終端電阻能更好地起到防干擾作用。DMX512 燈具的生產和安裝可以圖4 和圖5 作為參考。

圖4 DMX512LED 水下燈屏蔽系統結構圖

采用光纖傳輸。在電磁干擾嚴重及傳輸距離較遠時可使用光纖傳輸DMX 信號。光纖傳輸以光導纖維為介質進行的數據、信號傳輸。光導纖維，不僅可用來傳輸模擬信號和數字信號，而且可以滿足視頻傳輸的需求。光纖傳輸一般使用光纜進行，單根光導纖維的數據傳輸速率能達Gbps(傳輸速度每秒1 000 兆位1 Gbps=1 024 Mbps)，在不使用中繼器的情況下，傳輸距離能達幾十公里。光纖傳輸DMX 信號具有以下幾點優勢。

(1)靈敏度高，不受電磁噪聲干擾。

(2)體積小、重量輕、壽命長。

(3)絕緣、耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，適于特殊環境工作。

(4)幾何形狀可依環境要求調整，訊號傳輸容易。

(5)高帶寬，通訊量大，衰減小，傳輸距離遠。

(6)訊號串音小，傳輸質量高。

(7)便于敷設。

在使用光纖作為DMX 信號傳輸介質時應根據自己的需求來選擇多模光纖還是單模光纖，以及一系列的配套設施。

圖5 DMX512 控制系統安裝示意圖

2.6.2 機房的防干擾措施

由于所有控制設備都安裝在機房，所以機房是干擾源最為嚴重的地方。最大程度減小信號在傳輸過程中的干擾以及衰減的同時也應在機房做防干擾措施。比如:所有配電柜正確接地且接地電阻符合規定值，在變頻器上添加電抗器、濾波器，燈具電源使用隔離變壓器等一系列措施，做好每個細節，從源頭上杜絕干擾。

2.6.3 驅動自身抗干擾能力設計

DMX512 控制系統日趨成熟，投入生產驅動的廠家也越來越多，但某些廠家追求利益最大化，往往在生產過程中選材偷工減料，以次充好。這些都是直接影響驅動自身抗干擾能力的因素，好的產品需經過千錘百煉，不斷改善，不斷升級才能生產，所以在選材時不能盲目地降低成本。

2.6.4 DMX LED512 水下燈具設計介紹

燈具就是要實現安裝固定方便，能有效保護光源器件、與光源配套的電源電路系統以及燈具與外部供電線路連接的線路系統。

(1)水下燈具使用環境惡劣，外殼材質要求高，在設計DMX512 水下燈時，要充分考慮燈具的可靠性、耐候性，使用壽命。

(2)DMX512 水下燈的燈具結構要符合大型噴泉的設計要求，安裝固定方便可靠，外形美觀大方，實現LED 光源的優勢。

(3)光源系統的設計十分重要，能實現不同出光角，三基色混光均勻，不同色溫變化，出光效率等。

(4)燈具密封可靠性，要求防護等級達到IP68。

(5)散熱結構設計安全可靠，使燈具內的熱能有效得到傳導，保持燈具在相同單位量里達到更大功率。

2.6.5 線路布局以及施工問題

(1)通訊電纜必須選擇差分信號或雙絞線，長度不宜超過1 200 m。

(2)布線盡量遠離強電，盡量不要和電源線走在一起，更不能綁在一起。

(3)節點間最好采用手拉手的方式，節點到總線的距離盡量要短，不能使用星形連接。

(4)理論上產品最多連接32 個點(有些廠家可以定制128 個點)，超出節點要求需配中繼器。

(5)注意電位影響，一般情況下終端需要良好的接地系統，保證兩端電壓差較小。

(6)當導線過長時，電纜會具有寄生電容效應，可采用在總線外加終端電阻的方式。

3 小 結

現代音樂噴泉已經是一種集聲、光、電、水、力為一體的高科技產物。現代科技使噴泉藝術進入了嶄新的時代。DMX512 水下燈從技術上現已成熟，完全能夠滿足音樂噴泉中燈光的各種變化要求，在噴泉行業中正在逐步推廣使用，我公司生產的DMX512 LED水下燈在實際運用中，產生的效果非常顯著，受到了噴泉行業同仁的關注和稱贊。

［1］WH/T 32-2008-2008.DMX512-A 燈光控制數據傳輸協議［S］.中華人民共和國文化行業標準

［2］黃以華，劉燕林，蔡如海.基于DMX512 協議的LED 燈具控制系統［J］.照明工程學報，2009

［3］方福波，劉有源，陳定方.DMX512 控制協議及其實現［J］.照明工程學報，2002