基于DMX512協議的無線通信照明控制系統設計*

2018-12-07 08:31:54，

單片機與嵌入式系統應用 2018年11期

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(陜西科技大學電氣與信息工程學院，西安 710021)

引言

智能照明控制系統可滿足人們對優質、高效、舒適的照明環境的要求，由于其可觀的節能效果及光源壽命的延長，可以降低運行成本，極大改善了運營維護人員工作條件，有效降低了維護的工作強度[1]。

DMX512協議(Digital MultipleX 512)，全稱為數字多路復用協議，廣泛應用在舞臺燈光、景觀照明等場合。標準DMX512協議設計用來從一個單獨控制器到一個或多個接收器之間傳遞重復的控制數據，控制調光器、其他燈光控制設備和相關的設備[2]。根據DMX512數據傳輸率的要求以及控制網絡的分散特點，其物理層的設計采用差分接發的方式，采用主從式結構，總線用一對雙絞線實現調光臺與調光器相接。

標準DMX512協議規定主從控制器采用雙絞線進行通信，在實際應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協議的擴展方法，采用將無線通信和傳統雙絞線結合的通信方式，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總線的數據轉換成無線形式發送給從控制器，從控制器作為單個的燈具節點進行調光操作。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 系統總體方案

1.1 DMX512協議

DMX512協議最早是由美國劇院技術協會(USITT)制定，主要是解決舞臺、劇場等照明場合常用的調光設備互相兼容性的問題。

DMX512協議規定數據以數據包的形式通過異步通信的方式進行傳輸。每個數據包由若干數據幀組成，每幀數據包括1位低電平起始位、8位數據位和2位高電平停止位。數據傳輸率為250 Kb/s，位速率的傳輸時間為4 μs，數據包按順序傳送，每個包最多容納513個數據幀(起始碼和最多512個通道數據)[4]。DMX512協議幀格式如圖1所示。

圖1 DMX512的數據幀格式

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應用的無線傳輸芯片，能夠提供對數據包處理、接收信號強度指示、突發傳輸、數據緩沖、空閑信道評估、鏈路質量指示以及無線喚醒等功能的硬件支持[5]。

CC1101具有可編程的數據傳輸速率，數據傳輸速率設置范圍為1.2～500 kbps，滿足DMX512協議250 kbps的通信速率。CC1101工作頻段在387～464 MHz之間，CC1101的工作頻率可以進行設置。多個無線發射機工作在同一頻段，如果同時工作時，無線接收機接收的信號會有串擾。CC1101的工作頻段較寬，可以將不同網絡的無線發射機和接收機設置在不同的工作頻率，CC1101接收機只接收與自己頻率相同的信號，這樣多個無線網絡同時工作時就不會產生串擾了[6]。

1.3 無線系統方案設計

標準DMX512協議規定主控制器和從控制器采用雙絞線進行連接。本課題研究的無線設備是單個控制器節點，無線主控制器為發射機，無線從控制器為接收機，主控器和從控制器采用無線的通信方式進行通信。從控制器作為單個燈具控制節點，使燈具布局更加靈活。

系統整體框圖如圖2所示，一個DMX512系統內采用有線通信和無線通信相結合的方式，DMX512主控制器是DMX512系統的主控制器，無線主控制器與DMX512總線連接，主控制器將DMX512信號轉換成無線通信格式發送給從控制器。從控制器收到控制指令后進行相應的操作，主控制器將有線信號轉換成無線信號。

圖2 系統整體框圖

一個DMX512系統內可以接入多個無線系統，將多個無線主控制器與DMX512總線進行連接。如果多個無線網絡工作在同一個頻段，網絡內的無線主控制器同時發送信號，從控制器接收的信號就會產生串擾。CC1101的工作頻段較寬，將同一個網絡內的無線主控制器和從控制器設置在同一個頻段，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絡不會產生干擾。

2 系統硬件設計

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架構的32位處理器，工作頻率可達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個定時器，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計

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總線上的數據轉換成無線通信格式發送給從控制器。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方式與主控制器進行通信。CC1101電路將接收到DMX512總線的數據轉換成無線數據格式發送給從控制器。

② 地址分配電路主要對DMX512無線從控制器進行地址分配。

③ DMX512通信電路負責與DMX512主控制器建立通信，接收來自DMX512總線上的數據。

2.2 無線從控制器硬件設計

無線從控制器主要功能是接收主控制器的指令，并進行相應的操作。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驅動電路等。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驅動電路控制芯片選用NCL30160，這是安森美半導體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流驅動器[7]，電流提升到了1.5 A，損耗非常低，支持PWM數字脈沖調光方式。當無線從控制器接收到調光數據時，改變相應通道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行的狀態。

3 系統軟件設計

3.1 無線主控制器軟件設計

無線主控制器采用層次化的軟件設計方法，將程序分為三層：驅動層、接口層和應用層。驅動層完成和硬件相關的交互，接口層完成通信協議棧的設計，應用層則根據系統的要求進行功能定制。

3.1.1 功能需求

無線主控制器將來自DMX512主控制器的數據轉換成無線通信格式發送給從控制器。主控制器可以對從控制器進行無線參數設置。根據主控制器的設計要求，其軟件功能主要包括：①接收DMX512總線上的數據并進行解析；②將DMX512的控制數據轉換成無線數據格式發送給從控制器；③對無線設備進行參數設置，并且進行配對；④對無線從控制器進行地址分配。

3.1.2 任務劃分

根據功能需求，對主控制器的軟件進行任務劃分如下：

① DMX512數據接收任務：對來自DMX512總線上的數據進行接收。

② DMX512數據解析任務：對接收到的DMX512數據進行解析，判斷是否為調光指令類型。如果是調光指令，則截取相應的數據幀進行轉發；如果是無線設備地址分配指令或者無線參數設置指令，則將相應的標志位置位。

③ 地址分配任務：對無線系統內的無線從控制器進行地址分配操作。

④ 無線參數配置任務：對無線系統內的主控制器和從控制器進行參數設置，設置無線設備的通信頻率、跳頻信道等。

⑤ 無線設備配對任務：對無線從控制器進行配對，保存無線從控制器的設備信息。

根據程序的任務劃分，無線從控制器的程序流程圖如圖5所示。DMX512數據包中用起始碼定義數據包的功能，標準DMX512數據包的起始碼為0x00，如果定義無線參數設置和無線設備配對功能，只需要定義相應功能的起始碼。