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(xié)議

DMX512 協(xié)議最先是由USITT(美國劇院技術(shù)協(xié)會)提出的在控制臺用標準數(shù)字接口控制調(diào)光器的方式。DMX512 超越了模擬系統(tǒng)，但不能完全代替模擬系統(tǒng)。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(xié)議，除了調(diào)光器外，一系列不斷增長的控制設(shè)備就是證據(jù)。DMX512 仍然是科學上的一個新領(lǐng)域，具有在規(guī)則基礎(chǔ)上產(chǎn)生的各種奇妙技術(shù)。

1.1 DMX512 協(xié)議的概述

DMX512 是國際通用的一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)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(xié)議雖然能把不同廠家產(chǎn)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(xiàn)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(tài)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(jié)構(gòu)中沒有傳輸?shù)刂罚绻骋粠盘栆蚋蓴_因素等而在傳輸中出現(xiàn)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(shù)據(jù)，作為一包數(shù)據(jù)的起始幀頭，接收方有間隙檢測電路，需找數(shù)據(jù)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(xié)議開放，效率可靠性高，在傳統(tǒng)舞臺行業(yè)廣泛運用，兼容DMX 512 通信接口已是大功率LED 照明控制系統(tǒng)里默認的選擇。

1.2 DMX512 的電氣特性

DMX512 采用EIA-485 標準。發(fā)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(xié)議詳解

DMX512 傳輸速率固定為250 kbps，每個數(shù)據(jù)位的時間是4 μs，每個字節(jié)是11 位，就是44 μs。因此512 個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸時間為44×512=22.528 ms。

數(shù)據(jù)的幀頭通常是88 μs，數(shù)據(jù)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(jié)的數(shù)據(jù)包之前還有一個字節(jié)，表示設(shè)備的代號或自定義用途，通常是0，該字節(jié)的數(shù)據(jù)可用自動寫碼命令之用。

2 DMX512 LED 水下燈生產(chǎn)技術(shù)要求包括的主要內(nèi)容

2.1 適應(yīng)DMX512 控制結(jié)構(gòu)要求的LED 燈布局和驅(qū)動控制電路

DMX512 LED 水下燈內(nèi)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(xiàn)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(tài)效果，并且通過DMX512 LED 水下燈地址設(shè)置的不同，可以實現(xiàn)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(guī)格。DMX512 LED 水下燈控制系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 DMX512 LED 水下燈控制系統(tǒng)

2.2 滿足DMX512 LED 水下燈要求的特殊密封結(jié)構(gòu)和絕緣強度

由于LED 水下燈應(yīng)用場合的特殊性，是在水下工作的電器產(chǎn)品，所以也有技術(shù)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(yīng)≧2 MΩ。目的是保證燈具的絕緣強度達到基本的技術(shù)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(nèi)的熱量傳導(dǎo)體系

根據(jù)內(nèi)部發(fā)熱量的大小設(shè)計出不同的內(nèi)部熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱鋁基板，使芯片及驅(qū)動產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁基板傳導(dǎo)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(yīng)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(wěn)定，質(zhì)量較好的開關(guān)電源供電，優(yōu)點是安全可靠。缺點是電壓低電流大，導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)準確計算線路電流，選擇橫截面積足夠、正規(guī)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(shè)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(qū)動成本較高。

兩種方式供電，各有優(yōu)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(shè)計人員應(yīng)對現(xiàn)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(lián)方式連接的(圖2)，該種方式每個LED 燈必須設(shè)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(lián)在DMX512 控制器的輸出線上，如果不寫入地址碼，就區(qū)分不出不同的接收端，只有區(qū)分出不同的接收端才可以實現(xiàn)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(yōu)點是能精確控制每一盞燈，如果某一解碼器出現(xiàn)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(yōu)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(xiàn)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(shè)定地址的方式也有一定差異。它的設(shè)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(tǒng)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(dǎo)致寫碼不成功。

圖2 DMX512LED 水下燈并聯(lián)接線圖

圖3 DMX512LED 水下燈串聯(lián)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(xiàn)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(chǎn)生了干擾。DMX512 控制系統(tǒng)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(yīng)用的工業(yè)環(huán)境極其復(fù)雜，變頻器大多用于控制大型電機的高壓電力設(shè)備且電壓電流會有相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致電磁干擾極其強烈，而通過485 線路進行數(shù)據(jù)通信時，485 線路通過所有的變頻器，從而導(dǎo)致通信線路比較長，而當通信線路經(jīng)過大型電機等高壓電力設(shè)備，則會產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生共模干擾，當共模干擾超過一定的程度，則會導(dǎo)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(dǎo)線外部有導(dǎo)體包裹的導(dǎo)線叫屏蔽線，包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層，一般為編織銅網(wǎng)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(dǎo)入大地。屏蔽布線系統(tǒng)源于歐洲，利用金屬屏蔽層的反射、吸收及趨膚效應(yīng)防止電磁干擾及電磁輻射，屏蔽系統(tǒng)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(nèi)層，同時降低傳輸信號的損耗。使用屏蔽線傳輸信號時，各節(jié)點的接頭應(yīng)該穩(wěn)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(chǎn)和安裝可以圖4 和圖5 作為參考。

圖4 DMX512LED 水下燈屏蔽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(dǎo)纖維為介質(zhì)進行的數(shù)據(jù)、信號傳輸。光導(dǎo)纖維，不僅可用來傳輸模擬信號和數(shù)字信號，而且可以滿足視頻傳輸?shù)男枨?。光纖傳輸一般使用光纜進行，單根光導(dǎo)纖維的數(shù)據(jù)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(yōu)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(huán)境工作。

(4)幾何形狀可依環(huán)境要求調(diào)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(zhì)量高。

(7)便于敷設(shè)。

在使用光纖作為DMX 信號傳輸介質(zhì)時應(yīng)根據(jù)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(shè)施。

圖5 DMX512 控制系統(tǒng)安裝示意圖

2.6.2 機房的防干擾措施

由于所有控制設(shè)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(yīng)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(guī)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(jié)，從源頭上杜絕干擾。

2.6.3 驅(qū)動自身抗干擾能力設(shè)計

DMX512 控制系統(tǒng)日趨成熟，投入生產(chǎn)驅(qū)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(chǎn)過程中選材偷工減料，以次充好。這些都是直接影響驅(qū)動自身抗干擾能力的因素，好的產(chǎn)品需經(jīng)過千錘百煉，不斷改善，不斷升級才能生產(chǎn)，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(shè)計介紹

燈具就是要實現(xiàn)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(tǒng)以及燈具與外部供電線路連接的線路系統(tǒng)。

(1)水下燈具使用環(huán)境惡劣，外殼材質(zhì)要求高，在設(shè)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(jié)構(gòu)要符合大型噴泉的設(shè)計要求，安裝固定方便可靠，外形美觀大方，實現(xiàn)LED 光源的優(yōu)勢。

(3)光源系統(tǒng)的設(shè)計十分重要，能實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，使燈具內(nèi)的熱能有效得到傳導(dǎo)，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(jié)點間最好采用手拉手的方式，節(jié)點到總線的距離盡量要短，不能使用星形連接。

(4)理論上產(chǎn)品最多連接32 個點(有些廠家可以定制128 個點)，超出節(jié)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(tǒng)，保證兩端電壓差較小。

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

3 小 結(jié)

現(xiàn)代音樂噴泉已經(jīng)是一種集聲、光、電、水、力為一體的高科技產(chǎn)物?，F(xiàn)代科技使噴泉藝術(shù)進入了嶄新的時代。DMX512 水下燈從技術(shù)上現(xiàn)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(yè)中正在逐步推廣使用，我公司生產(chǎn)的DMX512 LED水下燈在實際運用中，產(chǎn)生的效果非常顯著，受到了噴泉行業(yè)同仁的關(guān)注和稱贊。

［1］WH/T 32-2008-2008.DMX512-A 燈光控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［S］.中華人民共和國文化行業(yè)標準

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

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