一種抑制脈沖干擾的DMX512網(wǎng)絡(luò)中繼器應(yīng)用研究

朱學(xué)莉 董 博

(1:硅湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆山 215332; 2:博澤汽車技術(shù)企業(yè)管理(中國)有限公司,上海 201805)

0 引言

DMX512通信協(xié)議是一種數(shù)字化娛樂燈光設(shè)備通用控制協(xié)議,被廣泛應(yīng)用于娛樂照明行業(yè).該通信協(xié)議因其簡單、實(shí)用和高效的特點(diǎn),在包括電腦燈在內(nèi)的各種舞臺效果燈、調(diào)光控制器、控制臺、換色器、電動吊桿等各種舞臺燈光設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用.但是,DMX512通信協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)中沒有校驗(yàn)手段,因此在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的場合下,會出現(xiàn)燈光意外閃爍或丟失控制信息等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響整體視覺效果.

舞臺燈光是舞臺表演的重要組成部分之一,舞臺燈光控制技術(shù)的高低直接影響著舞臺表演最終效果.隨著科技不斷發(fā)展創(chuàng)新,也對舞臺燈光的控制提出了更高的要求.近年來,對舞臺燈光控制技術(shù)的研究是舞臺照明行業(yè)的熱點(diǎn)之一,文獻(xiàn)[1]研究了DMX512協(xié)議的傳輸特性;文獻(xiàn)[2]介紹了LED燈具的DMX512協(xié)議應(yīng)用系統(tǒng);文獻(xiàn)[3]給出了基于DMX512協(xié)議的激光電腦燈設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方案;文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]則偏重于舞臺燈光控制技術(shù)的研究.這些研究主要偏重于DMX512的實(shí)際應(yīng)用效果及相關(guān)設(shè)備的控制技術(shù),缺乏對DMX512協(xié)議本身的研究與改進(jìn).本文在DMX512應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對DMX512通信協(xié)議的不足,設(shè)計(jì)了一種能夠抑制脈沖干擾的中繼設(shè)備,可以大大改善DMX512通信協(xié)議的應(yīng)用效果.

1 DMX512通信協(xié)議

DMX512通信協(xié)議包括電氣特性、數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等方面的內(nèi)容.該協(xié)議由美國劇場技術(shù)協(xié)會(United State Institute for Theatre Technology,USITT)于1986年8月提出.

協(xié)議給出了一個在EIA-485差分通道上傳送單幀多達(dá)512字節(jié)控制信息的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),后在1990年和2004年進(jìn)行了進(jìn)一步修改,目前最新版本為《DMX512-A Digital Data Transmission Standard for Lighting Control,ANSI E1.11-2004》.

協(xié)議的國內(nèi)版本為《DMX512-A 燈光控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議》,由中國演藝設(shè)備技術(shù)協(xié)會演出場館設(shè)備專業(yè)委員會起草,并進(jìn)行了注冊信息管理.

1.1 DMX512工作原理

DMX是Digital MultipleX的縮寫,意為數(shù)字多路復(fù)用,協(xié)議名稱中的512代表單幀的最長數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),理論上單條DMX512總線上可以掛載多達(dá)512個最小控制單位(如單個光源的亮度,電機(jī)轉(zhuǎn)動角度等).協(xié)議以符合EIA-485的串行方式發(fā)送和接受數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)波特率為250kbps,單個位發(fā)送時(shí)間為4μs,完整的單幀最長發(fā)送時(shí)間約為22ms,數(shù)據(jù)刷新率可達(dá)到40Hz以上.

DMX512采用異步通信格式,協(xié)議起始部分由復(fù)位段和數(shù)據(jù)段組成.復(fù)位段由BREAK(復(fù)位信號),MAB(復(fù)位后標(biāo))和START Code(起始碼)組成.包括起始碼在內(nèi),每個控制信息字節(jié)由11位構(gòu)成,其中包括1個起始位,8位數(shù)據(jù)和2個停止位.每字節(jié)控制信息可以表示0～255之間不同的值.DMX512-A的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 DMX512-A的幀結(jié)構(gòu)Fig.1 DMX512-A frame structure

通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Tran-smitter,UART)輸出及接收器的時(shí)序圖值見表1和表2.

表1 發(fā)送UART的輸出時(shí)序圖值Table 1 Timing Diagram Values-Output Tranmitting UART

表2 接收器的時(shí)序圖值Table 2 Timing Diagram Values for Reseivers

1.2 DMX512 協(xié)議的不足

DMX512通信協(xié)議的一個不足之處是幀結(jié)構(gòu)中缺少校驗(yàn)手段,并且數(shù)據(jù)只能被單向由主機(jī)向所有從機(jī)發(fā)送,從機(jī)無法識別到通信過程中產(chǎn)生的錯誤,因此也無法對錯誤狀態(tài)進(jìn)行反饋.

這個設(shè)計(jì)上的不足導(dǎo)致在一些電磁環(huán)境復(fù)雜的場合下,主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)易受其他環(huán)境耦合至數(shù)據(jù)總線的差模干擾,主機(jī)發(fā)送的指令不能被正確執(zhí)行.例如,當(dāng)建筑立面/舞臺燈光照明等可調(diào)光設(shè)備搭配用于調(diào)節(jié)燈具照射角度的電動機(jī)使用時(shí),由于公用電源線路和布線方式等原因,電機(jī)啟停時(shí)容易對通信線路造成干擾,這種脈沖干擾會導(dǎo)致燈光意外閃爍或丟失控制信息,影響整體視覺效果.

解決此種干擾有兩種辦法.一種是使用DMX512協(xié)議保留的EF擴(kuò)展,可將備用通信線路作為冗余數(shù)據(jù)線路,或使用備用通信線路以更高的速率發(fā)送控制信息以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余發(fā)送和校驗(yàn)/反饋等功能,以此達(dá)到抑制通信干擾的目的.此種方法的優(yōu)點(diǎn)是給開發(fā)設(shè)計(jì)者提供了靈活的擴(kuò)展方式和優(yōu)良的綜合效果,但不足之處也很明顯:系統(tǒng)和通信協(xié)議復(fù)雜程度高,開發(fā)周期長且方案通用程度差,設(shè)備的可復(fù)用性低,難以普及推廣.此外，在成本方面,會帶來線路材料及敷設(shè)成本大幅上升、需要采購配套的設(shè)備等問題.

另一種解決辦法是在DMX512網(wǎng)絡(luò)的局部或分支末端采用中繼器進(jìn)行自定協(xié)議擴(kuò)展,這種方案同樣有復(fù)雜、通用性差的問題,但相對以第一種解決辦法,通信協(xié)議的復(fù)雜程度可以大大降低,可以采用低成本、結(jié)構(gòu)簡單的中繼器進(jìn)行協(xié)議中轉(zhuǎn),線路材料和敷設(shè)成本較普通方案并無明顯增加.

本文即采用了后一種解決方案,對DMX512協(xié)議進(jìn)行了簡單的擴(kuò)展,其中繼設(shè)備可選擇工作在普通DMX512模式或增強(qiáng)改進(jìn)模式下,通過低成本、相對簡單的方式提高了對線路干擾的抑制能力.

2 協(xié)議的擴(kuò)展和中繼器設(shè)計(jì)

抑制干擾中繼器是一種以MCU為核心的通信系統(tǒng),其作用是對DMX512規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)展,工作原理是利用MCU配以電平轉(zhuǎn)換及隔離等電路來提升DMX512網(wǎng)絡(luò)局部傳輸速率,從而實(shí)現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的冗余校驗(yàn),提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹6].

2.1 DMX512協(xié)議擴(kuò)展

本文所述協(xié)議相對DMX512規(guī)范的擴(kuò)展主要在于提高子網(wǎng)內(nèi)通信速率和冗余發(fā)送控制信息方面.

通信線路上的干擾會帶來設(shè)備的運(yùn)行異常,即便是添加了校驗(yàn)手段,接收端能判斷出數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤的情況下也僅能保證該錯誤控制信息不被執(zhí)行.在某些特定的情況下,如出現(xiàn)燈光閃爍、方向跳動等情況時(shí),丟棄錯誤的控制信息幀會導(dǎo)致短時(shí)動作不能被執(zhí)行.采用糾錯編碼的方式受限于MCU的運(yùn)算能力,且被干擾改變的控制位不可多于1～2位,否則亦不能正確還原控制信息.本文采用下述方式對信息幀結(jié)構(gòu)做出擴(kuò)展,即在原有的MDX512幀末尾加入CRC-16校驗(yàn)和及被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)的幀編號.

2.2 干擾抑制中繼器設(shè)計(jì)

干擾抑制中繼器(以下簡稱中繼器)采用了一種簡單的DMX512通信協(xié)議擴(kuò)展,可以在子網(wǎng)或局部提升通信速率以冗余發(fā)送控制信息,從而使電機(jī)等設(shè)備隨機(jī)產(chǎn)生的短時(shí)脈沖干擾的影響降低到最小.

中繼器的基本工作原理為:在子網(wǎng)內(nèi)或局部提升通信速率至500kbps,所有的子網(wǎng)設(shè)備需要支持加倍的通信速率,并可由DMX512規(guī)范所保留的ASC(Alternate START Code)對子網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和設(shè)置,設(shè)備可以工作在普通的DMX512協(xié)議模式下,也可在復(fù)雜的干擾情況下切換到抗干擾增強(qiáng)模式.

為了降低延時(shí)影響,中繼器在接收到控制臺單幀信息的一半時(shí)開始以雙倍速率在信號輸出端以擴(kuò)展協(xié)議的方式開始轉(zhuǎn)發(fā),當(dāng)接收到控制臺數(shù)據(jù)幀的尾字節(jié)后,中繼器按照擴(kuò)展協(xié)議所定義的校驗(yàn)方式將校驗(yàn)段和轉(zhuǎn)發(fā)編號放置在末尾發(fā)出,同時(shí)重新開始發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)幀,當(dāng)此數(shù)據(jù)幀第二次被發(fā)送后,新的控制臺數(shù)據(jù)幀已有一半到達(dá).脈沖干擾抑制器的具體信號時(shí)序如圖2所示.

圖2 脈沖干擾中繼器的信號流程Fig.2 Signal flow of impusle interference repeater

接收設(shè)備按照如下方式工作.依次收到轉(zhuǎn)發(fā)編號為A1和A2的兩幀后,接收端根據(jù)下述邏輯選擇是否刷新數(shù)據(jù)或指令:①當(dāng)兩幀的校驗(yàn)段都正確時(shí),使用該數(shù)據(jù)或指令；②當(dāng)兩幀中校驗(yàn)段均錯誤時(shí),延續(xù)使用上一幀的數(shù)據(jù)和指令；③當(dāng)兩幀中僅有一幀校驗(yàn)段正確時(shí),使用正確幀數(shù)據(jù),丟棄校驗(yàn)錯誤的數(shù)據(jù).

中繼器的信號輸入端為控制臺引出的RS485數(shù)據(jù)線,信號輸出端為子網(wǎng)RS485數(shù)據(jù)線.在各種應(yīng)用中,干擾通常是通過電源線耦合至通信線路,所以中繼器應(yīng)該盡量放置在靠近控制設(shè)備的信號輸出端口附近,以降低原始控制信號被干擾的可能性.

2.3 中繼器的硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的短時(shí)脈沖干擾抑制中繼器是一種以MCU為核心的通信系統(tǒng).采用PIC24FV32KA304作為主控MCU,按照DMX512協(xié)議的基本要求,使用6N137和DCV010505對電源和通信線路進(jìn)行隔離,系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示.

圖3 中繼器的原理框圖Fig.3 Principle diagram of repeater

主控PIC24FV32KA304是MicroChip公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款低成本的16位RISC微控制器.此款MCU采用改進(jìn)型的哈佛架構(gòu),帶有32KB Flash和2KB RAM存儲器,在系統(tǒng)時(shí)鐘為32MHz時(shí)可以達(dá)到最高16MIPS的處理能力,該MCU具有豐富的外設(shè)資源,尤其是適用于本應(yīng)用的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)發(fā)生器和帶有4級深FIFO接收/發(fā)送緩沖區(qū)的UART模塊.

UART1負(fù)責(zé)接收控制臺發(fā)送的控制信息,通信速率為250kbps, UART2負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以原始數(shù)據(jù)速率的兩倍即500kbps轉(zhuǎn)發(fā)到子網(wǎng).在偵測到幀的起始部分后,MCU將收到的數(shù)據(jù)逐一保存在一個516字節(jié)的緩沖區(qū)內(nèi),并計(jì)算更新CRC-16數(shù)據(jù)校驗(yàn)和,當(dāng)控制臺信息發(fā)送到258字節(jié)時(shí),MCU將保存的數(shù)據(jù)開始將之前收到的258字節(jié)以二倍速率按次序通過UART2發(fā)出,同時(shí)UART1繼續(xù)接收控制臺數(shù)據(jù).當(dāng)控制臺數(shù)據(jù)幀發(fā)送到低512字節(jié)時(shí),MCU將根據(jù)CRC-16計(jì)算出的校驗(yàn)和及轉(zhuǎn)發(fā)編號放置在緩沖區(qū)末尾,繼續(xù)UART2完成整個幀的發(fā)送.發(fā)送結(jié)束后,MCU再次將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)由UART2重新發(fā)送一次,以此實(shí)現(xiàn)二次冗余發(fā)送.

2.4 軟件編程

軟件包含中繼器和接收設(shè)備兩部分,其中,中繼器轉(zhuǎn)發(fā)功能部分的程序流程如圖4所示.在通過外部中斷和計(jì)時(shí)器偵測到的正確起始信號(BREAK)后,MCU進(jìn)入U(xiǎn)ART1接收中斷.流程圖中的延時(shí)部分、發(fā)送長度及緩沖區(qū)長度可以由上位機(jī)界面使用保留ASC設(shè)置,存儲在中繼器的EEPROM中,以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境.接收設(shè)備根據(jù)控制信息尾部的轉(zhuǎn)發(fā)幀編號輔助判斷,接收長度和緩沖區(qū)長度同樣可以用上述方法設(shè)置并保存在EEPROM中.

圖4 中繼器的軟件流程圖Fig.4 Software diagram of repeater

圖5 總線實(shí)際數(shù)據(jù)圖Fig.5 Actual data diagram of bus

2.5 設(shè)計(jì)方案的綜合評估

圖5顯示了中繼器工作時(shí)通過差分探頭測得的總線實(shí)際數(shù)據(jù)波形圖.由圖可見,上方通道為控制器發(fā)出的原始DMX512控制信息幀,信息為512滿字節(jié)發(fā)送.下方通道為經(jīng)過抑制器轉(zhuǎn)發(fā)的控制信息幀.可見該中繼器可以很好實(shí)現(xiàn)本文提出的設(shè)計(jì)要求,在不同數(shù)據(jù)長度的情況下中繼器亦能按照要求轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù).在實(shí)際的抗干擾測試中,使用了一臺直流電機(jī)和燈具對設(shè)備進(jìn)行測試,經(jīng)統(tǒng)計(jì),該方案可以有效減少95%以上特定通信干擾環(huán)境下的運(yùn)行錯誤.

3 結(jié)語

本文在DMX512應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,給出了一種短時(shí)脈沖干擾抑制的中繼器的設(shè)計(jì)方案,采用該裝置可以大大減少短時(shí)脈沖干擾,提高了系統(tǒng)的可靠性.該協(xié)議改進(jìn)方案具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 對DMX512原有協(xié)議改動較小,簡單且容易實(shí)現(xiàn).

(2) 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)冗余接收,可以大大減少脈沖干擾時(shí)的丟幀現(xiàn)象.

(3) 通用性相對較強(qiáng),廠商可以提供與設(shè)備配套的中繼器,并可通過上位機(jī)界面來配置中繼器和燈具工作在普通DMX512模式或協(xié)議擴(kuò)展模式.

(4) 方案低成本、結(jié)構(gòu)簡單、易于推廣,極具工程應(yīng)用價(jià)值.

參 考 文 獻(xiàn)

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