基于DMX512協(xié)議的燈光控制信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)計(jì)

引 言
    隨著數(shù)字化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及，舞臺(tái)和演播廳等燈光控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的模擬控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字控制。為了解決各廠(chǎng)家設(shè)備兼容性問(wèn)題，美國(guó)劇場(chǎng)技術(shù)協(xié)會(huì)(USITT)制定了DMX512協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于該協(xié)議簡(jiǎn)單實(shí)用，目前幾乎所有的燈光及舞臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)商都支持該控制協(xié)議，使之成為燈光控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于協(xié)議規(guī)定DMX512信號(hào)通過(guò)EIA-485有線(xiàn)線(xiàn)纜進(jìn)行傳輸，這就造成在條件不利于有線(xiàn)布線(xiàn)的環(huán)境下設(shè)備安裝困難。因此，設(shè)計(jì)一種短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)來(lái)代替有線(xiàn)線(xiàn)纜完成信號(hào)的傳輸就顯得十分必要。

1 DMX512協(xié)議簡(jiǎn)介
    DMX512協(xié)議適用于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從式燈光控制系統(tǒng)，主控制器往總線(xiàn)發(fā)送控制時(shí)序，總線(xiàn)上的其他從燈光設(shè)備接收總線(xiàn)數(shù)據(jù)，提取其對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，完成控制信號(hào)的接收。
    協(xié)議規(guī)定控制信號(hào)數(shù)據(jù)包的傳輸通過(guò)異步通信的方式進(jìn)行。一個(gè)DMX512數(shù)據(jù)包包含起始碼和512個(gè)數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含1個(gè)起始位(低電平)、8個(gè)位數(shù)據(jù)和2個(gè)停止位(高電平)，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)。DMX512的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbps，數(shù)據(jù)幀每位寬度為4μs，發(fā)送一幀需要44μs。一個(gè)數(shù)據(jù)幀代表了一路控制通道，因此該協(xié)議支持512路控制通道。一般舞臺(tái)燈光設(shè)備可以同時(shí)接受多路通道控制。接受的通道數(shù)越多，接收的控制數(shù)據(jù)量也越大，燈光的表現(xiàn)能力也就越強(qiáng)。譬如，某些舞臺(tái)激光燈可以根據(jù)需要投射出不同圖案、顏色甚至字符。 DMX512數(shù)據(jù)包的傳輸要符合一定的格式和時(shí)序要求。主要包含1個(gè)至少88 μs的低電平輸出起始標(biāo)志(Break)、起始碼幀、512個(gè)數(shù)據(jù)幀和最后的數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志(高電平)?？刂破骱徒邮掌髦挥袧M(mǎn)足DMX512數(shù)據(jù)包的時(shí)序要求，才能正常完成主從機(jī)之間的通信。具體的信號(hào)時(shí)序如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是利用無(wú)線(xiàn)傳輸代替有線(xiàn)電纜，解決有線(xiàn)布線(xiàn)困難的問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)上必須滿(mǎn)足輕便易安置的條件，以保證與原有線(xiàn)系統(tǒng)無(wú)縫結(jié)合。如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由微控制器單元(MCU)、射頻收發(fā)單元和電源管理單元3部分組成。

    在工作方式上，一方面發(fā)射模塊的MCU單元接收DMX512控制端的總線(xiàn)數(shù)據(jù)，分析并拆解總線(xiàn)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理之后通過(guò)射頻發(fā)送單元發(fā)送出去；另一方面接收模塊在接收無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)之后，由MCU單元將數(shù)據(jù)整合重組，在接收端總線(xiàn)恢復(fù)DMX512控制信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)的好處是可以將有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳輸相結(jié)合。在接收端架設(shè)一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收模塊就可以保證該區(qū)域DMX512控制信號(hào)得到有效傳輸，并不需要為每個(gè)設(shè)備都安置一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收模塊。
2．2 微控制器單元
    本系統(tǒng)的微控制器采用了STC系列單片機(jī)STC12C5410。該單片機(jī)含有12 KB的Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、異步串口(UART)和內(nèi)部PLL單元等。內(nèi)置的SPI總線(xiàn)控制器可以方便地與射頻芯片CC1100通信，而內(nèi)部的ISP(在線(xiàn)可編程)模塊允許用戶(hù)直接通過(guò)串口下載程序，給系統(tǒng)軟件升級(jí)帶來(lái)便捷條件。由于DMX512的數(shù)據(jù)波特率為250 kbps，所以選取16 MHz晶振作為時(shí)鐘源，以便產(chǎn)生同頻波特率。
2．3 射頻收發(fā)單元
    CC1100是一款低功耗單片射頻收發(fā)芯片，具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、接口靈活等優(yōu)點(diǎn)。該芯片主要設(shè)定工作在315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)波段；數(shù)據(jù)速率支持1．2～500 kbps的可編程控制；提供-30～10 dBm的輸出功率；最大空地發(fā)射距離大于200 m，工作電壓為1．8～3．6 V；最大支持64字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)SPI接口完成內(nèi)部寄存器配置，讀寫(xiě)接收／發(fā)送FIFO等內(nèi)部控制。
2．4 接口電路設(shè)計(jì)
    接口電路的設(shè)計(jì)主要包括2部分：DMX512總線(xiàn)與單片機(jī)之間的通信，以及單片機(jī)控制 CC1100射頻模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。由于DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)幀格式與通用異步串口(UART)格式基本兼容，因此系統(tǒng)與DMX512總線(xiàn)的通信利用串口通信接口。但DMX512信號(hào)的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)是EIA-485，與單片機(jī)的TTL電平接口不兼容，要實(shí)現(xiàn)相互通信，需要采用電平轉(zhuǎn)換芯片作為橋接電路。在分解和還原DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)上，分別采用MC3486和MC3487。在系統(tǒng)發(fā)送端，通過(guò)MC3486將DMX512總線(xiàn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平數(shù)據(jù)，由單片機(jī)的串口接收數(shù)據(jù)；另外，串口的該引腳還同時(shí)連接到單片機(jī)的P3．2／INTO口，用于識(shí)別DMX512總線(xiàn)的起始標(biāo)志(Break)，提前通知單片機(jī)準(zhǔn)備接收總線(xiàn)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)接收端，通過(guò)MC3487將單片機(jī)串口TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DMX512差分?jǐn)?shù)據(jù)。
    對(duì)CC1100的內(nèi)部寄存器配置和FIFO單元讀寫(xiě)都通過(guò)單片機(jī)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)接口來(lái)完成。MISO和MOSI分別是數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端口，SCLK是同步時(shí)鐘，SS用作器件的片選信號(hào)。CC1100的GD02信號(hào)用作內(nèi)部FIFO的狀態(tài)信號(hào)，用于提示單片機(jī)FIFO空間已滿(mǎn)。發(fā)射和接收模塊接口示意圖如圖 3所示，發(fā)射模塊與接收模塊的結(jié)構(gòu)基本一致，只是通信數(shù)據(jù)流方向相反。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 主要程序流程
    系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化配置，包括I／O端口輸入／輸出狀態(tài)配置、串口配置、SPI接口設(shè)置、CC1100寄存器配置，以及無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)格式的配置，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。此時(shí)主發(fā)射模塊等待DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)的到來(lái)。一旦DMX512數(shù)據(jù)包起始標(biāo)志出現(xiàn)，即打開(kāi)單片機(jī)串口，等待串口接收中斷產(chǎn)生。中斷產(chǎn)生之后單片機(jī)緩存總線(xiàn)數(shù)據(jù)，激活CC1100，并向其發(fā)送FIFO中寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)，然后無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去。
    接收模塊的工作流程和發(fā)送模塊相反。在初始化完成之后，單片機(jī)設(shè)置好CC1100的FIFO寄存器，等待FIFO產(chǎn)生外部中斷。這里外部中斷被用作無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收成功的標(biāo)志。FIFO中斷產(chǎn)生后，單片機(jī)通過(guò)SPI總線(xiàn)緩存FIFO中的數(shù)據(jù)，并立刻通過(guò)串口模擬DMX512時(shí)序，恢復(fù)總線(xiàn)信號(hào)，完成信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

3．2 自定義通信數(shù)據(jù)格式
    雖然CC1100的傳輸數(shù)率比DMX512的時(shí)序速率要高，但畢竟CC1100的FIFO有限，不可能把一個(gè)DMX512數(shù)據(jù)包一次性全部發(fā)送出去，因此在主從端之問(wèn)必須協(xié)商一種合適的數(shù)據(jù)通信格式。CC1100支持4種格式的數(shù)據(jù)包，分別是：定長(zhǎng)(小于255字節(jié))、變長(zhǎng)(小于255字節(jié))、無(wú)限長(zhǎng)和有限長(zhǎng)。完整的數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)。本系統(tǒng)采用有效數(shù)據(jù)為32字節(jié)的有限長(zhǎng)格式，具體的數(shù)據(jù)格式如下：

    DMX512的數(shù)據(jù)包中包含有512路調(diào)光數(shù)據(jù)，而CC1100發(fā)送一次數(shù)據(jù)包只包含32個(gè)有效數(shù)據(jù)，因此在發(fā)送時(shí)要在CC11OO的地址碼段填入該次發(fā)送有效數(shù)據(jù)在總數(shù)據(jù)包中的序號(hào)，以保證接收端在接收的時(shí)候按順序重組成功。
3．3 拆解和重組DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)
    系統(tǒng)在對(duì)DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)的拆解和重組過(guò)程中，都利用了單片機(jī)內(nèi)部的串口單元。但DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)序與單片機(jī)UART串口不完全相同，因此在使用的時(shí)候需要做如下修正。
    主發(fā)射端對(duì)DMX512總線(xiàn)數(shù)據(jù)的拆解，需要先將串口端口(P3．1)配置為I／O口。當(dāng)接收到DMX512的起始標(biāo)志(即P3．1=0)時(shí)，開(kāi)啟定時(shí)器 0開(kāi)始計(jì)數(shù)，88μs溢出中斷后準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)確認(rèn)M．a(chǎn)．B(Mark afterBreak)信號(hào)出現(xiàn)后，配置串口端口為普通串口，開(kāi)始緩存數(shù)據(jù)幀。
    從接收端在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，要把串口端口配置為I／O口，并置為高電平。在接收完畢無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)后，先將串口端口拉低，利用定時(shí)器延時(shí)超過(guò)88 μs，完成起始標(biāo)志(Break)信號(hào)的發(fā)送。然后配置串口端口為普通串口，按緩存的順序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到DMX512總線(xiàn)上。數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，還需要將串口端口還原為普通I／O，發(fā)送結(jié)束信號(hào)(小于1 s的高電平)，完成DMX512時(shí)序要求。

4 總 結(jié)
    基于CC1100設(shè)計(jì)的DMX512燈光控制信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，具有成本低、外圍器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)。雖然CC11OO標(biāo)稱(chēng)空曠地發(fā)射距離可以達(dá)到200 m，但在實(shí)際使用時(shí)，由于樓宇等建筑物的影響，有效的通信距離為30 m左右。因此利用該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)小范圍(如室內(nèi)環(huán)境)將DMX512有線(xiàn)傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>無(wú)線(xiàn)傳輸。為了延長(zhǎng)系統(tǒng)傳輸距離，可以考慮在射頻收發(fā)單元增加功放模塊，在保證燈光數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臈l件下，降低通信速率，提高系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。