數(shù)控燈光的短距離無線通信系統(tǒng)方案

引言

隨著數(shù)字化技術和計算機技術的廣泛普及，舞臺和演播廳等燈光控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的模擬控制轉變?yōu)閿?shù)字控制。為了解決各廠家設備兼容性問題，美國劇場技術協(xié)會（USITT）制定了DMX512協(xié)議標準。由于該協(xié)議簡單實用，目前幾乎所有的燈光及舞臺設備生產(chǎn)廠商都支持該控制協(xié)議，使之成為燈光控制的國際標準。由于協(xié)議規(guī)定DMX512信號通過EIA-485有線線纜進行傳輸，這就造成在條件不利于有線布線的環(huán)境下設備安裝困難。因此，設計一種短距離無線通信系統(tǒng)來代替有線線纜完成信號的傳輸就顯得十分必要。

1 DMX512協(xié)議簡介

DMX512協(xié)議適用于一點對多點的主從式燈光控制系統(tǒng)，主控制器往總線發(fā)送控制時序，總線上的其他從燈光設備接收總線數(shù)據(jù)，提取其對應通道的數(shù)據(jù)，完成控制信號的接收。

協(xié)議規(guī)定控制信號數(shù)據(jù)包的傳輸通過異步通信的方式進行。一個DMX512數(shù)據(jù)包包含起始碼和512個數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀內包含1個起始位（低電平）、8個位數(shù)據(jù)和2個停止位（高電平），沒有奇偶校驗。DMX512的信號數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps，數(shù)據(jù)幀每位寬度為4μs，發(fā)送一幀需要44μs。一個數(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。一般舞臺燈光設備可以同時接受多路通道控制。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。譬如，某些舞臺激光燈可以根據(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序要求。主要包含1個至少88μs的低電平輸出起始標志（Break）、起始碼幀、512個數(shù)據(jù)幀和最后的數(shù)據(jù)包結束標志（高電平）。控制器和接收器只有滿足DMX512數(shù)據(jù)包的時序要求，才能正常完成主從機之間的通信。具體的信號時序如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)設計的目的是利用無線傳輸代替有線電纜，解決有線布線困難的問題，因此在設計上必須滿足輕便易安置的條件，以保證與原有線系統(tǒng)無縫結合。如圖2所示，整個系統(tǒng)的硬件結構由微控制器單元（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控制端的總線數(shù)據(jù)，分析并拆解總線數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)過適當處理之后通過射頻發(fā)送單元發(fā)送出去；另一方面接收模塊在接收無線數(shù)據(jù)之后，由MCU單元將數(shù)據(jù)整合重組，在接收端總線恢復DMX512控制信號。這樣設計的好處是可以將有線和無線傳輸相結合。在接收端架設一個無線接收模塊就可以保證該區(qū)域DMX512控制信號得到有效傳輸，并不需要為每個設備都安置一個無線接收模塊。

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STC12C5410。該單片機含有12KB的Flash存儲器、512字節(jié)RAM、異步串口（UART）和內部PLL單元等。內置的SPI總線控制器可以方便地與射頻芯片CC1100通信，而內部的ISP（在線可編程）模塊允許用戶直接通過串口下載程序，給系統(tǒng)軟件升級帶來便捷條件。由于DMX512的數(shù)據(jù)波特率為250kbps，所以選取16MHz晶振作為時鐘源，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、功耗低、接口靈活等優(yōu)點。該芯片主要設定工作在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的工業(yè)、科學和醫(yī)學波段；數(shù)據(jù)速率支持1.2～500kbps的可編程控制；提供-30～10dBm的輸出功率；最大空地發(fā)射距離大于200m，工作電壓為1.8～3.6V；最大支持64字節(jié)的接收和發(fā)送FIFO。設計人員可以通過SPI接口完成內部寄存器配置，讀寫接收／發(fā)送FIFO等內部控制。

2.4 接口電路設計

接口電路的設計主要包括2部分：DMX512總線與單片機之間的通信，以及單片機控制CC1100射頻模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。由于DMX512總線數(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總線的通信利用串口通信接口。但DMX512信號的電氣接口標準是EIA-485，與單片機的TTL電平接口不兼容，要實現(xiàn)相互通信，需要采用電平轉換芯片作為橋接電路。在分解和還原DMX512總線數(shù)據(jù)上，分別采用MC3486和MC3487。在系統(tǒng)發(fā)送端，通過MC3486將DMX512總線的差分數(shù)據(jù)轉換為TTL電平數(shù)據(jù)，由單片機的串口接收數(shù)據(jù)；另外，串口的該引腳還同時連接到單片機的P3.2／INTO口，用于識別DMX512總線的起始標志（Break），提前通知單片機準備接收總線數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)接收端，通過MC3487將單片機串口TTL電平數(shù)據(jù)轉換為DMX512差分數(shù)據(jù)。

對CC1100的內部寄存器配置和FIFO單元讀寫都通過單片機4線SPI總線接口來完成。MISO和MOSI分別是數(shù)據(jù)發(fā)送、接收端口，SCLK是同步時鐘，SS用作器件的片選信號。CC1100的GD02信號用作內部FIFO的狀態(tài)信號，用于提示單片機FIFO空間已滿。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構基本一致，只是通信數(shù)據(jù)流方向相反。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 主要程序流程

系統(tǒng)上電后首先進行初始化配置，包括I／O端口輸入／輸出狀態(tài)配置、串口配置、SPI接口設置、CC1100寄存器配置，以及無線傳輸數(shù)據(jù)格式的配置，使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。此時主發(fā)射模塊等待DMX512總線數(shù)據(jù)的到來。一旦DMX512數(shù)據(jù)包起始標志出現(xiàn)，即打開單片機串口，等待串口接收中斷產(chǎn)生。中斷產(chǎn)生之后單片機緩存總線數(shù)據(jù)，激活CC1100，并向其發(fā)送FIFO中寫入發(fā)送數(shù)據(jù)，然后無線發(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，單片機設置好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線數(shù)據(jù)接收成功的標志。FIFO中斷產(chǎn)生后，單片機通過SPI總線緩存FIFO中的數(shù)據(jù)，并立刻通過串口模擬DMX512時序，恢復總線信號，完成信號的無線傳輸。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的時序速率要高，但畢竟CC1100的FIFO有限，不可能把一個DMX512數(shù)據(jù)包一次性全部發(fā)送出去，因此在主從端之問必須協(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（小于255字節(jié)）、變長（小于255字節(jié)）、無限長和有限長。完整的數(shù)據(jù)包包括前導碼、同步字、數(shù)據(jù)長度、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗。本系統(tǒng)采用有效數(shù)據(jù)為32字節(jié)的有限長格式，具體的數(shù)據(jù)格式如下：

DMX512的數(shù)據(jù)包中包含有512路調光數(shù)據(jù)，而CC1100發(fā)送一次數(shù)據(jù)包只包含32個有效數(shù)據(jù)，因此在發(fā)送時要在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，以保證接收端在接收的時候按順序重組成功。

3.3 拆解和重組DMX512總線數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在對DMX512總線數(shù)據(jù)的拆解和重組過程中，都利用了單片機內部的串口單元。但DMX512總線數(shù)據(jù)時序與單片機UART串口不完全相同，因此在使用的時候需要做如下修正。

主發(fā)射端對DMX512總線數(shù)據(jù)的拆解，需要先將串口端口（P3.1）配置為I／O口。當接收到DMX512的起始標志（即P3.1=0）時，開啟定時器0開始計數(shù)，88μs溢出中斷后準備接收數(shù)據(jù)。單片機確認M.a.B（MarkafterBreak）信號出現(xiàn)后，配置串口端口為普通串口，開始緩存數(shù)據(jù)幀。

從接收端在無數(shù)據(jù)傳輸時，要把串口端口配置為I／O口，并置為高電平。在接收完畢無線數(shù)據(jù)后，先將串口端口拉低，利用定時器延時超過88μs，完成起始標志（Break）信號的發(fā)送。然后配置串口端口為普通串口，按緩存的順序將數(shù)據(jù)發(fā)送到DMX512總線上。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)送結束信號（小于1s的高電平），完成DMX512時序要求。

4 總結

基于CC1100設計的DMX512燈光控制信號無線傳輸系統(tǒng)，具有成本低、外圍器件少、電路結構簡潔的特點。雖然CC11OO標稱空曠地發(fā)射距離可以達到200m，但在實際使用時，由于樓宇等建筑物的影響，有效的通信距離為30m左右。因此利用該系統(tǒng)能實現(xiàn)小范圍（如室內環(huán)境）將DMX512有線傳輸轉變?yōu)闊o線傳輸。為了延長系統(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)實時傳輸?shù)臈l件下，降低通信速率，提高系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。