藍抱年

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一種自動批量分配地址的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)

藍抱年

廣州市浩洋電子股份有限公司，廣東 廣州 511400

傳統(tǒng)DMX燈具通信網(wǎng)絡(luò)通常采用撥碼等方式手工設(shè)置每臺燈地址。網(wǎng)絡(luò)地址實現(xiàn)自動分配一直是個難題。如果使用傳統(tǒng)方法對各個燈具逐一設(shè)置DMX地址則耗費太多時間，效率太低。設(shè)計一種能夠快速批量自動設(shè)置DMX起始地址的控制系統(tǒng)，提升工作效率。采用獨立地址信號線、地址發(fā)送模塊、地址接收模塊、控制單元等，實現(xiàn)自動批量分配地址。經(jīng)大型工程案例驗證，操作便捷穩(wěn)定性高。

照明系統(tǒng)；RS-485；DMX512；通信地址；自動分配

引言

隨著科技的快速發(fā)展，可實現(xiàn)智能控制的照明系統(tǒng)是現(xiàn)代生活不可缺少的。通過控制照明系統(tǒng)中各種燈光的顏色、亮度以及投射點的變化，豐富了各類生活場景。

DMX512協(xié)議自1986年制定以來，稱為照明系統(tǒng)最常采用的標(biāo)準(zhǔn)接口。傳統(tǒng)的DMX照明燈信號線為3股，如圖1所示，連接在1腳的信號線是接地的，分別連接在2、3端口的信號線DMXA、DMXB用于通信。DMX地址的范圍是1～512通道，每一路通道的DMX值的范圍是0～255。

照明系統(tǒng)DMX起始地址通常采用逐臺撥碼或逐臺用RDM設(shè)置等方式手工對每臺照明燈進行設(shè)置。但是，采用該傳統(tǒng)方法對照明燈逐個設(shè)置DMX地址則耗費太多時間，特別是撥碼方式設(shè)置需要專業(yè)人員攀爬至安裝好的燈具下逐臺進行，效率太低。DMX地址實現(xiàn)自動批量分配是個急需解決的難題[1]。

1 系統(tǒng)原理

1.1 DMX512信號接口

標(biāo)準(zhǔn)DMX512信號接口為3針，如圖1所示。連接在1腳的信號線是接地的，分別連接在2、3端口的信號線DMXA、DMXB是用于通信的。J1是信號輸入，J2是信號輸出，燈與燈之間的DMX信號是并聯(lián)方式連通。此并聯(lián)信號連接方式無法實現(xiàn)批量地址自動分配操作，只能通過RDM功能發(fā)送指令，對燈具手工逐臺分配地址。

1.2 批量自動分配地址原理

實現(xiàn)批量自動分配地址，首要條件是燈與燈之間的信號是串聯(lián)連接方式。當(dāng)?shù)?臺燈完成寫地址操作后，地址數(shù)自動加1，指令及地址值通過串聯(lián)地址線發(fā)送到第2臺，第2臺燈完成寫地址操作后，地址數(shù)又自動加1，發(fā)送到下一臺……直到把所有燈具的地址寫完。

1.3 方案選擇

由上述可知，要實現(xiàn)批量自動分配地址，首要條件是燈與燈之間的信號是串聯(lián)連接方式。實現(xiàn)燈具信號串聯(lián)連接有下以兩種方案。

1.3.1 方案一：可控開關(guān)實現(xiàn)并轉(zhuǎn)串

不改變傳統(tǒng)的3針DMX信號線，在燈具內(nèi)增加可控開關(guān)（如繼電器）來實現(xiàn)并聯(lián)和串聯(lián)轉(zhuǎn)換，并聯(lián)時實現(xiàn)DMX通信功能，串聯(lián)時實現(xiàn)地址分配功能。這樣實現(xiàn)DMX通信與寫地址線共用，優(yōu)點是信號線能和傳統(tǒng)舊燈具的DMX信號線兼容[2-3]。但這種方案有一個很大的缺點：一旦可控開關(guān)失控停留在寫地址狀態(tài)，燈具無法回到DMX通信狀態(tài)，級聯(lián)的后級燈具將全部失去控制。當(dāng)成千上萬臺燈具裝在一幢大樓上，其中一臺燈具出現(xiàn)此故障，后面的燈全部不亮，將是滅頂之災(zāi)，使用吊機高空作業(yè)售后維護價格高昂不可估量。

1.3.2 方案二：增加獨立地址線

在3針DMX線中增加2針獨立線作為寫地址，DMX通信與寫地址操作可同時進行，互不影響，燈具更穩(wěn)定可靠。

綜合上述論證，選擇方案二最優(yōu)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電源線和信號線電纜設(shè)計

選擇了上述方案二后，在3針DMX線中增加2針獨立線寫地址，為讓工程安裝燈具時布線更方便，走線更整潔，需對電纜線重新設(shè)計。現(xiàn)把DMX線、寫地址線、電源線三者合一，做成一根整體的電纜線，解決燈具安裝施工的多布線難題。三合一的線材結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示，圖中左邊是插頭，方便插入到另一臺燈中。

圖2中的三合一電纜線，與燈具組裝時很方便。

圖3 電纜與燈具組裝圖

如圖3所示，其中電纜一端開皮，并通過電纜索頭固定在燈具上，電纜另一端為母插頭，插入到下一臺燈具的公插座上?？傮w上看，電源及信號從燈具的公插座進入，再從電纜的母插頭出來，級聯(lián)到下一臺燈具。

圖4是該三合一電纜線的接口結(jié)構(gòu)及信號腳定義，其中第1腳AGND是信號屏蔽層，阻隔外界及電源線對信號的干擾，同時作為DMX信號的地線。第2和第3腳是DMX信號線，第4和第5腳是寫地址信號線。第L腳是電源火線，第N腳是電源零線，第E腳是電源地線。

圖4 電纜線的接口結(jié)構(gòu)及信號腳定義

2.2 原理框架設(shè)計

為實現(xiàn)自動分配地址目的，采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。

圖5 原理框圖

如圖5所示，一種自動批量分配地址的控制系統(tǒng)，包括控制盒、多個控制單元、通信信號線?？刂坪小⒍鄠€控制單元通過通信信號線順次連接，還包括地址信號線。每個控制單元連接有地址接收模塊、地址發(fā)送模塊。與控制盒相連的控制單元所連接的地址接收模塊通過地址信號線與控制盒相連，其他控制單元所連接的地址接收模塊依次通過地址信號線與上一個控制單元所連接的地址發(fā)送模塊相連。

在控制盒設(shè)置好起始地址，與控制盒通過通信信號線連接的控制單元為第一控制單元，與第一控制單元通過通信信號線相連的控制單元為第二控制單元。第一控制單元所連接的地址接收模塊、地址發(fā)送模塊分別為第一地址接收模塊、第一地址發(fā)送模塊[4-5]。第二控制單元所連接的地址接收模塊、地址發(fā)送模塊分別為第二地址接收模塊、第二地址發(fā)送模塊，以此類推。具體的自動分配地址過程如下。

（1）控制盒通過地址信號線將起始地址發(fā)送到第一地址接收模塊，第一地址接收模塊將接收到的起始地址發(fā)送到第一控制單元，也即第一控制單元被分配到了起始地址。

（2）第一控制單元根據(jù)起始地址生成第二地址并發(fā)送到第一地址發(fā)送模塊，第一地址發(fā)送模塊將接收到的第二地址通過地址信號線發(fā)送到第二地址接收模塊，第二地址接收模塊又將接收到的第二地址發(fā)送到第二控制單元，也即第二控制單元被分配到了第二地址。

（3）第二控制單元根據(jù)第二地址生成第三地址并發(fā)送到第二地址發(fā)送模塊，第二地址發(fā)送模塊將接收到的第三地址繼續(xù)通過地址信號線傳輸?shù)较乱粋€控制單元所連接的地址接收模塊，以此類推。

按照上述的自動分配地址過程，可以實現(xiàn)在控制盒給定初始地址的基礎(chǔ)上，各個控制單元依次自動分配地址。在不改變傳統(tǒng)的通信信號線的基礎(chǔ)上，另外增加2針獨立的地址信號線，可以在控制盒和控制單元之間以及不同控制單元之間同時進行通信和自動分配地址。

2.3 地址收發(fā)模塊接口

圖6是改進后的DMX512協(xié)議通信接口，其中J1是地址接收模塊接口，J2是地址發(fā)送模塊接口。在本實施例中控制盒與控制單元之間、不同控制單元之間采用DMX512協(xié)議進行通信。圖6的改進后接口與圖1的現(xiàn)有DMX512協(xié)議通信接口相比，地址接收模塊J1在兩個DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一個接地接口的基礎(chǔ)上增加了兩個地址通信接口（AddrA-I、AddrB-I），地址發(fā)送模塊J2在兩個DMX通信接口（DMXA、DMXB）、一個接地接口的基礎(chǔ)上增加了兩個地址通信接口（AddrA-O、AddrB-O）。地址接收模塊J1和地址發(fā)送模塊J2的地址通信接口分別通過地址信號線連接起來進行地址分配。

圖6 改進后的DMX512協(xié)議通信接口

2.4 地址接收模塊

地址接收模塊J1原理圖如圖7所示，地址接收模塊包括RS-485收發(fā)器U2、光耦U1，控制盒或上一個控制單元所連接的地址發(fā)送模塊、地址信號線、RS-485收發(fā)器U2、光耦U1、控制單元依次連接。

當(dāng)?shù)刂方邮漳KJ1將接收到的初始地址或新地址發(fā)送到控制單元時，地址會傳輸?shù)絉S-485收發(fā)器U2的輸入端，觸發(fā)RS-485收發(fā)器U2的輸出端電平信號發(fā)生變化，要發(fā)送到控制單元的地址信息則記錄在電平信號的變化中。根據(jù)RS-485收發(fā)器U2的電平信號變化，控制光耦U1的亮和不亮，從而向控制單元輸入變化的電平信號，也即將地址信息輸入到控制單元中。

圖7 地址接收模塊J1原理圖

如圖7所示，在具體的實施過程中，所述光耦U1型號可以為EL817S-B，地址通信接口AddrA-I、AddrB-I分別連接RS-485收發(fā)器U2的A腳、B腳，RS-485收發(fā)器U2的2腳和3腳接地作為使能設(shè)置，使得RS-485收發(fā)器U2處于接收模式，RS-485收發(fā)器U2的R腳連接光耦U1的2腳，光耦U1耦合端的3腳接地，4腳分別連接上拉電阻R3和控制單元。

RS-485收發(fā)器U2的A腳、B腳分別接收地址通信接口AddrA-I、AddrB-I傳輸?shù)碾妷篤A、VB。當(dāng)VB-VA≥0.2?V時，R腳輸出高電平，光耦U1內(nèi)部不亮，光耦U1的耦合端3腳、4腳互不相通，4腳被電阻R3上拉，控制單元輸入高電平；當(dāng)VB-VA≤﹣0.2?V時，R腳輸出低電平，光耦U1內(nèi)部發(fā)亮，光耦U1的耦合端3腳、4腳導(dǎo)通，4腳電平為0，控制單元輸入低電平。

DZ1是晶體快速放電管，使用在戶外燈上時若遇雷擊，就會起到快速放電防雷保護作用。R2是上拉電阻，R6是下拉電阻，共同作用下可以使得由地址信號線輸入RS-485收發(fā)器U2輸入端的電平信號更加穩(wěn)定。C1是U2的濾波電容，使U2的供電無雜波干擾。R1是限流電阻，給U1內(nèi)部發(fā)光管一個合適的電流。R4和R5作用是阻抗匹配，可以使地址信號線與RS-485收發(fā)器U2之間的電阻相匹配，抑制地址信號線信號反射。

2.5 地址發(fā)送模塊

地址發(fā)送模塊J2原理圖如圖8所示，地址發(fā)送模塊J2包括RS-485收發(fā)器U4、光耦U3，控制單元、光耦U3、RS-485收發(fā)器U4、地址信號線依次連接。

地址發(fā)送模塊J2會接收控制單元信息并發(fā)送的新地址。新地址記錄在變化的電平信號中并傳輸?shù)焦怦頤3中，控制光耦U3的亮和不亮，從而將電平信號變化傳輸?shù)絉S-485收發(fā)器U4的輸入端，觸發(fā)RS-485收發(fā)器U4的輸出端電平信號發(fā)生變化。RS-485收發(fā)器U4輸出端的電平信號變化通過地址信號線傳輸?shù)较乱粋€控制單元所連接的地址接收模塊J1。

圖8 地址發(fā)送模塊J2原理圖

如圖8所示，在具體的實施過程中，所述光耦U3型號可以為EL817S-B，地址通信接口AddrA-O、AddrB-O分別連接RS-485收發(fā)器U4的A腳、B腳，RS-485收發(fā)器U2的2腳和3腳連接5?V的電源作為使能裝置，使得RS-485收發(fā)器U2處于發(fā)送模式，光耦U3耦合端的4腳連接RS-485收發(fā)器U4的D腳，光耦U3的2腳連接控制端，1腳連接上拉電阻R10。A腳、B腳分別向地址通信接口AddrA-O、AddrB-O傳輸電壓VA、VB。

當(dāng)控制單元發(fā)出低電平時，光耦U3內(nèi)部發(fā)亮，耦合端3腳、4腳導(dǎo)通，4腳電平為0，此時RS-485收發(fā)器U4的D腳電平為0，A、B腳輸出滿足﹣6 V≤VB－VA≤﹣2 V的差分信號到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通過地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個控制單元所連接的地址接收模塊J1；當(dāng)控制單元發(fā)出高電平時，光耦U3內(nèi)部不亮，耦合端3、4腳不通，4腳被R12上拉為高電平，此時RS-485收發(fā)器U4的D腳電平為高電平，A、B腳輸出滿足6 V≥VB－VA≥2 V的差分信號到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O，再通過地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個控制單元所連接的地址接收模塊J1。

DZ2是晶體快速放電管，使用在戶外燈上時若遇雷擊，就會起到快速放電防雷保護作用。R7是上拉電阻，R11是下拉電阻，共同作用使輸出到地址線的A、B信號更穩(wěn)定，不被干擾。C2是U4的濾波電容，使U4的供電無雜波干擾。R12是限流電阻，給U3內(nèi)部發(fā)光管一個合適的電流。R8和R9作用是阻抗匹配，抑制地址信號線信號反射。

3 軟件控制設(shè)計

3.1 軟件控制流程圖

在每個燈體內(nèi)設(shè)置有控制單元、地址接收模塊J1、地址發(fā)送模塊J2，某一個燈體內(nèi)的地址接收模塊J1接收由控制盒發(fā)出的初始地址或上一個燈體內(nèi)的地址發(fā)送模塊J2發(fā)出的地址，然后將其傳輸?shù)奖緹趔w內(nèi)的控制單元中，該控制單元生成新的地址后，通過本燈體內(nèi)的地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個燈體內(nèi)的地址接收模塊J1，從而將地址依次分配給各個燈體。

分配好地址后，控制盒可以發(fā)出各個燈體的顏色、亮度等要求，通過通信信號線依次傳遞到每一個燈體內(nèi)的控制單元，控制單元再根據(jù)要求控制光源的顏色、亮度。

圖9 軟件控制流程圖

如圖9所示，在具體地址分配的過程中，以采用DMX512協(xié)議實現(xiàn)通信為例，首先要在控制盒上設(shè)置好DMX起始地址（通常默認(rèn)設(shè)置為1）以及每組最大照明燈的數(shù)量（同一串聯(lián)的照明燈里，由于最多只有512通道，因此最多可設(shè)置512組，此時每組照明燈數(shù)量只有1臺，如果只設(shè)置1組，則同一組內(nèi)的照明燈數(shù)量最多可達512臺），控制盒內(nèi)所設(shè)置好的DMX起始地址和每組最大照明燈的數(shù)量通過地址信號線發(fā)送到與控制盒相連燈體內(nèi)的地址接收模塊，該燈體內(nèi)的地址接收模塊在接收到DMX起始地址及DMX每組最多照明燈數(shù)量的數(shù)據(jù)后，控制單元對本照明燈的DMX起始地址進行設(shè)置，之后判斷已設(shè)置好DMX起始地址的照明燈數(shù)量是否超過組內(nèi)的最大照明燈數(shù)量。如果沒有超過，則DMX起始地址保持不變，已設(shè)置好DMX起始地址的照明燈數(shù)量增加1；如果已經(jīng)超過，則DMX起始地址增加本組照明燈的通道數(shù)，已設(shè)置好DMX起始地址的照明燈數(shù)量重新置1。最后將DMX起始地址和已分配好DMX起始地址的照明燈數(shù)量通過地址發(fā)送模塊通過地址信號線發(fā)送給下一臺串聯(lián)燈體內(nèi)的地址接收模塊，如果沒有再繼續(xù)串聯(lián)的燈體則DMX起始地址分配完成。

3.2 自動分配地址實例

例如，假設(shè)某自動批量分配地址的照明系統(tǒng)串聯(lián)10臺照明燈，并且采用DMX512協(xié)議進行通信，分別給1～10的編號，在控制盒中設(shè)置DMX起始地址為1，以2臺燈為一組，每臺燈具的通道數(shù)為1，則1號燈和2號燈的DMX起始地址為1，3號燈和4號燈的DMX起始地址為2，5號燈和6號燈的DMX起始地址為3，7號燈和8號燈的DMX起始地址為4，9號燈和10號燈的DMX起始地址為5。如果控制盒設(shè)置DMX起始地址為5，以5臺燈為一組，每臺燈具的通道數(shù)為2，則1～5號燈的DMX起始地址為5，6～10號燈的DMX起始地址為7。

4 成功案例

美獅美高梅是澳門最創(chuàng)新的綜合度假酒店，項目投資總額高達34億美元，于2018年1月29日開幕。美獅美高梅榮獲中國綠色建筑（澳門）設(shè)計標(biāo)識證書，是獲頒此項殊榮之最大及首個私人的建筑項目。美獅美高梅的外墻裝有50?000多臺防水戶外建筑燈。燈具來自上述介紹的自動分配地址方案設(shè)計。建筑燈產(chǎn)品型號是ELV3000、ELV-G1DMX、ELV-G2DMX、ELV-G3DMX、ELV-G4DMX共5款，共計50?000多臺，總長60?000英寸（合約1?524米）。自動批量分配地址操作瞬間自動完成，免去了用吊機逐臺人工設(shè)置或逐臺通過RDM方式手動設(shè)置地址的煩瑣。此方案的穩(wěn)定性更讓項目今后省去巨額的維修成本。

美獅美高梅配合本方案燈光系統(tǒng)，以嶄新科技為賓客重新定義藝術(shù)及娛樂體驗。每當(dāng)夜幕降臨，本方案燈光系統(tǒng)把美獅美高梅點亮，上演一場夢幻的光影交匯的燈光盛宴，帶給人們無上的視覺感受，體驗一場美輪美奐、驚艷十足的獨具匠心的視覺盛宴。

5 結(jié)論

本燈光控制系統(tǒng)為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)缺陷（不足），提供一種自動批量分配地址的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)，在不影響各個控制單元之間通信的基礎(chǔ)上，可批量快速地為每個控制單元分配地址。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本控制系統(tǒng)技術(shù)方案的有益效果是如以下。

（1）通過在原有通信信號線的基礎(chǔ)上，增加地址信號線，并且每個控制單元設(shè)置地址接收模塊、地址發(fā)送模塊，可以同時進行控制盒和控制單元之間、不同控制單元之間的通信和地址分配。

（2）通過在照明系統(tǒng)中設(shè)置可自動分配地址的控制系統(tǒng)，可以自動批量地對照明系統(tǒng)中的各個照明燈分配地址，無需工作人員逐個照明燈及進行手工設(shè)置地址。

（3）通過對DMX線、寫地址線、電源線三者合一技術(shù)改造，做成一根整體的電纜線，解決燈具安裝施工多布線難題。以工程案例證實，本方案工作穩(wěn)定，能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

[1]Bob Dobkin，Jim Williams. Analog Circuit Design[M].張徐亮，朱萬經(jīng)，于永斌，譯. 北京：人民郵電出版社，2016.

[2]謝詠冰. 舞臺燈光工程設(shè)計技術(shù)研究及應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[3]姜海. 建筑電氣工程設(shè)計分項突破系列動力和照明系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：中國電力出版社，2016.

Automatic Batch Allocation Address Control System and Lighting System

Lan Baonian

Guangzhou Golden Sea Electronics Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511400

Traditional DMX luminaire communication communication networks usually set the address of each lamp manually by dialing and other methods. Automatic assignment of network addresses has always been a problem. If the conventional method is used to set the DMX address for each lamp one by one, it takes too much time and the efficiency is too low. Design a control system that can quickly and automatically set the DMX start address in batches to improve work efficiency. Independent address signal line, address sending module, address receiving module, control unit, etc. are used to achieve automatic batch allocation of addresses. Verified by large-scale engineering cases, the operation is convenient and stable.

lighting system; RS-485; DMX512; communication address; automatic allocation

TP311.52；TN925；TU113.66

A

藍抱年（1984—），男，電子工程師，主要研究方向為舞臺燈具技術(shù)研發(fā)。