張 振

(江蘇天楹之光光電科技有限公司，上海 200235)

1 引言

提起LED燈飾，首先讓人聯(lián)想到的就是其對“光”絢麗多姿的展示。LED燈飾如此流光溢彩的變化，依托的是它的可控性，因此控制技術(shù)對LED燈飾行業(yè)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。LED數(shù)碼管(見圖1)作為早期常見的產(chǎn)品之一，以其花哨的變化方式、華麗的色彩展示在LED燈飾發(fā)展初期發(fā)揮了重要作用，而它依賴的也正是控制技術(shù)。LED燈飾行業(yè)近幾年蓬勃發(fā)展，在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會等大型活動上大放異彩，帶動了其在戶外亮化工程中的廣泛應(yīng)用。目前LED燈飾的應(yīng)用可以說遍及國內(nèi)大中小城市(圖2為福建沙縣夜景照明)，而這一切都與LED燈飾控制技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，可以說控制技術(shù)在其中居功至偉。

圖1 LED數(shù)碼管及其應(yīng)用Fig.1 LED Nixie light and its application

圖2 福建沙縣夜景照明Fig.2 Fujian Shaxian Night Lighting

2 LED燈飾控制系統(tǒng)簡介

2.1 LED燈飾控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

早期LED燈飾主要采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，廠家或自定義485總線通訊實(shí)現(xiàn)簡單外控，或采用內(nèi)控?，F(xiàn)今LED燈飾控制技術(shù)已發(fā)展為上端依托計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，下端集SPI(serial peripheral interface),DMX控制于一體，一種綜合性的控制架構(gòu)。上端使用豐富的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信資源，解決了超大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}，同時(shí)可以配套使用的相關(guān)設(shè)備也足夠豐富，下端采用ARM(Advanced RISC Machines)、DSP(digital signal processor)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等高速處理芯片，接收通過網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議傳輸過來的視頻流數(shù)據(jù)并加以解析處理轉(zhuǎn)換成可以被相應(yīng)LED燈具識別的數(shù)據(jù)格式(見圖3)。目前LED燈飾控制趨向于整體性、綜合性、兼容性發(fā)展，正逐步邁向行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

圖3 一般LED燈飾控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 General LED lighting control system architecture

2.2 LED燈飾控制系統(tǒng)的起源與特征分類

LED燈飾控制的發(fā)展主要源于兩大行業(yè)：

(1)舞臺燈光控制領(lǐng)域，發(fā)展了DMX512控制，并行控制方式。

(2)顯示屏控制領(lǐng)域，發(fā)展了SPI控制，串行控制方式(見圖4)。

圖4 DMX&SPI控制起源及通訊方式Fig.4 DMX&SPI Control origin and communication mode

此外，基于PLC技術(shù)，基于各類RS485總線技術(shù)(如DALI，IBUS,CBUS，DYNET等)，基于單片機(jī)技術(shù)的控制方式在LED燈飾領(lǐng)域也有一定的發(fā)展應(yīng)用，但因應(yīng)用面較窄且普及率較低，本文不做詳細(xì)說明，重點(diǎn)對在燈飾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的DMX與SPI技術(shù)做介紹。

2.3 DMX系統(tǒng)與SPI系統(tǒng)的簡單比較(見表1)

表1 DMX與SPI的特征比較Table 1 Comparison of the characteristics of DMX&SPI

3 源于舞臺燈光的DMX控制在燈飾領(lǐng)域的發(fā)展

DMX512協(xié)議最先是由USITT(美國劇院技術(shù)協(xié)會)提出并發(fā)展成為從控制臺用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口控制調(diào)光器的方式。由于該協(xié)議簡單實(shí)用，目前幾乎所有的燈光及舞臺設(shè)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(biāo)準(zhǔn)[1]。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最佳協(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(xué)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)。DMX512是圍繞工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EIA485 接口設(shè)計(jì)的[2]。

應(yīng)用在舞臺燈光控制領(lǐng)域里的DMX512主控設(shè)備最具代表性的是各種DMX512控制臺(圖5)。DMX512控制臺外形龐大，價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，對操作者技能要求較高，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的場景編輯，也可實(shí)時(shí)進(jìn)行效果場景的編輯，可以實(shí)現(xiàn)燈具色彩，燈具旋轉(zhuǎn)角度，音頻等的控制。DMX512控制臺還有一個特點(diǎn)就是控制的點(diǎn)數(shù)有限，一般也就做到4096通道，適合隨機(jī)編輯效果。

圖5 舞臺燈光控制及設(shè)備Fig.5 Stage lighting control and equipment

3.1 DMX燈飾控制系統(tǒng)簡介

DMX512舞臺燈光控制設(shè)備龐大復(fù)雜，適合應(yīng)用在對現(xiàn)場場景編輯要求較高的場所如表演舞臺等，但在景觀照明應(yīng)用領(lǐng)域，則完全沒有必要。景觀照明類燈飾控制的要求較為簡單，用戶不需要對照明效果實(shí)時(shí)修改，一般只須進(jìn)行單一場景或若干場景的編輯并存儲播放即可(圖6)。針對燈飾行業(yè)的需求，更加適合于燈飾控制的DMX512控制系統(tǒng)逐步被開發(fā)完善。這種控制設(shè)備的特點(diǎn)是控制存儲簡單，分為聯(lián)機(jī)控制和脫機(jī)控制兩大類，聯(lián)機(jī)控制系統(tǒng)一般可通過TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)效果編輯、播放控制等功能。而脫機(jī)控制一般采用CF卡、SD卡、MMC卡等通用外圍存儲設(shè)備，通過上位機(jī)軟件編輯效果后生成數(shù)據(jù)文件，拷貝入CF/SD/MMC卡中即可，場景的編輯、修改都可以輕松實(shí)現(xiàn)。

圖6 DMX燈飾控制架構(gòu)Fig.6 DMX Decorative lighting control architecture

3.2 DMX燈飾控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

DMX512采用基于RS485的總線通訊方式，一個DMX512數(shù)據(jù)幀包含1個起始碼和512個數(shù)據(jù)碼。數(shù)據(jù)幀包含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(yàn)。DMX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[3]。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，在舞臺燈光領(lǐng)域可以控制調(diào)光器，換色器，頻閃燈，音頻設(shè)備等等。而應(yīng)用在燈飾行業(yè)里面，主要是配合專用的數(shù)字解碼模塊實(shí)現(xiàn)對LED的PWM調(diào)光控制。

DMX512控制在燈飾行業(yè)應(yīng)用中的特點(diǎn)是：

其一，LED燈具無法直接識別DMX512數(shù)字信號，必須有配套的DMX解碼設(shè)備(見圖7)，此設(shè)備目前主要以單片機(jī)+485接口IC+外圍保護(hù)電路組成，相對來說較復(fù)雜。目前也開始出現(xiàn)了集成的IC，但應(yīng)用尚不廣泛，可靠性有待檢驗(yàn)。

圖7 DMX解碼模塊Fig.7 DMX Decode

其二，DMX512的最大可控通道為512個通道，在LED領(lǐng)域一般一個全彩燈具由 RGB三基色組成，因此一個回路最大可控點(diǎn)數(shù)為170(也有廠家推出諸如DMX512+，DMX1024協(xié)議，但通用性不夠)，較之SPI控制的1024點(diǎn)(甚至更多)而言明顯偏少。

其三，DMX512應(yīng)用的是基于RS485的總線通訊形式(見圖8)，所有解碼模塊均并行接入RS485總線，因此DMX必然有地址的概念，優(yōu)點(diǎn)是相互之間不受影響，缺點(diǎn)是設(shè)定地址較為麻煩。

圖8 DMX帶負(fù)載示意圖Fig.8 With DMX load diagram

其四，當(dāng)前DMX控制在燈飾領(lǐng)域采用的是單向通訊方式(見圖9)，沒有數(shù)據(jù)反饋無法實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，也就無法做到自我偵測功能。

圖9 DMX控制信號單向輸出Fig.9 DMX control signal one-way output

3.3 DMX燈飾控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

DMX512系統(tǒng)在進(jìn)入燈飾行業(yè)后的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段(見圖10)：

圖10 DMX主控發(fā)展歷程Fig.10 The development history of DMX master controller

第一階段：早期使用舞臺燈光領(lǐng)域的控制設(shè)備，諸如DMX512控臺之類，設(shè)備昂貴，外形龐大，在戶外照明工程應(yīng)用過程中很不方便。

第二階段： 使用可通過電腦軟件適時(shí)控制的DMX主控設(shè)備，但電腦軟件比較死板，不夠靈活，不同工程項(xiàng)目的軟件各不相同，對操作者要求較高，且無論項(xiàng)目大小，均無法脫機(jī)運(yùn)行。脫機(jī)版本的控制則只能通過單片機(jī)編寫程序控制，可操作性差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變化效果幾無可能。

第三階段：上位機(jī)軟件迅速發(fā)展，傻瓜式操作，上位機(jī)軟件可應(yīng)對任意復(fù)雜布燈情況，可實(shí)現(xiàn)任意效果的編輯，操作簡單快捷，門檻降低?？陕?lián)機(jī)控制，亦可生產(chǎn)數(shù)據(jù)文件，存儲入CF/SD/MMC等通用存儲卡中，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)播放。發(fā)展到這一階段，基本可以滿足市場的各種應(yīng)用需求。

第四階段：控制上端借鑒顯示屏控制技術(shù)，采用以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳輸，軟件方面針對燈飾控制的特點(diǎn)改進(jìn)，使得操作應(yīng)用更加靈活方便，下端控制設(shè)備可以兼容輸出SPI,DMX等不同格式信號，真正實(shí)現(xiàn)控制的一體化。

3.4 DMX燈飾控制系統(tǒng)一般架構(gòu)

DMX512燈飾控制系統(tǒng)一般由PC、主控設(shè)備、分控設(shè)備、中繼設(shè)備和解碼設(shè)備組成(圖11)，其中除主控及解碼必需外，其它則因不同廠家設(shè)計(jì)理念的不同或有或無。主控設(shè)備一般用于解析計(jì)算機(jī)發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)并處理轉(zhuǎn)換為DMX512信號輸出，或者讀取存儲卡的程序轉(zhuǎn)換輸出DMX512信號。一般基于ARM、DSP、FPGA等設(shè)計(jì)，屬于控制的核心部分。而解碼設(shè)備主要用于獲取并處理由主控設(shè)備發(fā)出的DMX512信號，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動LED燈具的PWM信號或其它各類SPI信號。解碼設(shè)備即DMX512接收處理單元，目前主要是以單片機(jī)+485IC+外圍電路為主。近期市場上也開始出現(xiàn)了集成所有功能的IC，但穩(wěn)定性還有待觀察。

圖11 DMX控制一般架構(gòu)Fig.11 General DMX control system architecture

3.5 DMX燈飾控制系統(tǒng)主控設(shè)備

DMX512燈飾控制的主控設(shè)備一般是基于ARM、DSP或FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)，主要是處理上位機(jī)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)囊曨l流數(shù)據(jù)并經(jīng)過處理解析成諸如DMX512信號或SPI信號至受控?zé)艟?。其基本工作原理大致如圖12所示。

圖12 DMX主控器工作原理框圖Fig.12 DMX master controller Working principle diagram

3.6 DMX燈飾控制系統(tǒng)解碼設(shè)備

DMX512燈飾控制的解碼設(shè)備是基于單片機(jī)開發(fā)的一個小型處理終端[4]，它通過485IC接收DMX512總線上的信號，解析并將信號轉(zhuǎn)換為LED燈具能聽懂的PWM脈寬調(diào)制格式，從而完成正確的上端控制(圖13)。因?yàn)镈MX并行通訊的特點(diǎn)，每臺解碼設(shè)備都需要設(shè)定地址，以方便受控。這種控制的好處是大家共同從并行的總線上各取所需，不會相互干擾(這也是DMX最大的一個賣點(diǎn)：單只燈具故障不會影響其它燈具)。缺點(diǎn)是DMX解碼模塊成本相對較高，每個解碼模塊都需要設(shè)定地址，工作量較大(市場上也有采用自動定址方式的，但會帶來接線增加的問題，給施工帶來困擾)。

圖13 DMX解碼模塊及器工作原理框圖Fig.13 DMX Decode and Working principle diagram

3.7 DMX燈飾控制系統(tǒng)解碼寫址方式

DMX512燈飾控制常見的寫址方式主要分為以下幾類(表2)：

表2 DMX燈飾控制寫地址方式比較Table 2 The compration of DMX address set

自動定址與實(shí)時(shí)寫址的比較：

自動定址方式，其實(shí)包含了并行總線+串行寫址(圖14)，雖然省去了寫地址的麻煩，但也帶來了兩個問題，第一，原本DMX總線只需要2芯線，現(xiàn)在至少需要3芯。對布線產(chǎn)生了影響。第二，接線復(fù)雜，原本DMX總線每個燈有2個信號接頭，現(xiàn)在需要3～4個接頭，工作量增加的同時(shí)也讓工人接錯線的機(jī)率大增。

圖14 DMX自動定址原理圖Fig.14 DMX auto addressing illustrative diagram

實(shí)時(shí)寫址，布線采用的是標(biāo)準(zhǔn)的并行方式(圖15)，接線簡單，出廠時(shí)寫好地址，現(xiàn)場按地址安裝即可。如有個別地址安裝錯誤，可以使用手持寫址器實(shí)時(shí)修改，方便簡單。聽上去工人要按地址編碼安裝比較麻煩，但實(shí)際上工廠出貨到現(xiàn)場的燈具均按地址順序包裝，對現(xiàn)場操作實(shí)際并無太大影響。

3.8 DMX燈飾控制系統(tǒng)接口帶載及保護(hù)

DMX512控制采用的是基于RS485總線的通訊方式，因此必須要考慮總線帶載能力的問題，早先的RS485總線帶載量一般為32個模塊[5]，數(shù)量多了就要增加信號放大的設(shè)備。現(xiàn)今485接口IC產(chǎn)品改善了帶載問題，但因不同的應(yīng)用需求，目前市場上的產(chǎn)品種類繁多，且各具特點(diǎn)，為了滿足燈飾行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，在選擇時(shí)，需要綜合考量它的帶載能力，抗靜電，抗干擾，抗打擊能力等各個方面。同時(shí)為了進(jìn)一步保護(hù)接口IC,還需要增加外圍保護(hù)電路，使用PTC+TVS是常用的方式之一(圖16)。

圖16 DMX控制外圍接口工作原理圖Fig.16 DMX control peripheral interface illustrative diagram

3.9 DMX信號的中繼放大及整形恢復(fù)

DMX512控制是基于RS485總線設(shè)計(jì)的，采用差分信號傳輸，具有信號傳輸距離長，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，還是會碰到距離過長，干擾很多的特殊應(yīng)用場合，比如橋梁，道路，河道等。在這種情況下為繼續(xù)保障信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性穩(wěn)定性，則需要考慮信號的中繼放大及整形恢復(fù)。早期，一般只考慮到把信號硬件整形使其變形的波形恢復(fù)成規(guī)則矩形波，但這種方式會在一定程度上造成信號的損耗，如果信號在中繼器接收前已經(jīng)嚴(yán)重變形，那就無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確恢復(fù)。所以目前主流的做法是在信號未完全失真前進(jìn)行徹底的整形處理，務(wù)求使信號恢復(fù)成接近控制器輸出端一樣的水平，從而實(shí)現(xiàn)信號的更遠(yuǎn)距離傳輸(圖17)。

圖17 DMX信號整形工作原理框圖Fig.17 DMX Signal reshaping illustrative diagram

3.10 DMX控制的優(yōu)勢及發(fā)展展望

DMX512控制方式在國際上成為主流，一方面是因?yàn)槠渫ㄓ眯?協(xié)議的統(tǒng)一開放)，另一方面是因?yàn)槠浼夹g(shù)的成熟性。DMX控制是許多國際上知名照明設(shè)計(jì)公司首選的LED燈飾控制方式，從而得到了更多的推廣，其受到追捧也與SPI控制帶來的負(fù)面影響有關(guān)。

DMX512控制方式的優(yōu)越性表現(xiàn)在：

(1)單只燈具故障僅表現(xiàn)為單燈故障，不會對同回路其它燈具產(chǎn)生影響。

(2)協(xié)議統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，兼容性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，有利于行業(yè)統(tǒng)一。

(3)基于RS485的差分通訊方式，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，適合布燈無規(guī)律的燈飾行業(yè)。

當(dāng)然，DMX512控制也并非十全十美，同樣存在著一些弱項(xiàng)，這也可能成為未來DMX發(fā)展改善的一些方向。

(1)解碼模塊成本高，電路顯得復(fù)雜。未來應(yīng)該會有可靠集成的IC的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本降低和電路簡化。

(2)解碼模塊尺寸雖已經(jīng)在不斷的小型化，但較之SPI控制使用的移位IC仍顯較大(圖18)，這同樣也可以通過集成IC優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)完全媲美移位IC。 目前已經(jīng)出現(xiàn)此類產(chǎn)品，但可靠性穩(wěn)定性有待驗(yàn)證。

圖18 DMX解碼模塊與SPI移位ICFig.18 DMX decode and SPI shift IC

(3)帶載能力稍顯不足，但一旦增加帶載，必然要改變DMX512的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此這方面還有待取舍。

(4)目前DMX控制(包括SPI控制)采用的是開環(huán)控制方式，計(jì)算機(jī)僅單向發(fā)出控制指令，而無法收到返回信號從而偵測燈具是否正常受控?？紤]到燈飾控制點(diǎn)數(shù)的巨大及控制精度的原因，采集燈具受控狀況信息的通訊較為復(fù)雜，因此目前并無特別合適的方式完成閉環(huán)控制，但這必然也是未來DMX控制發(fā)展的一個趨勢。

4 源于顯示屏的SPI控制在燈飾領(lǐng)域的發(fā)展

SPI總線是Motorola 公司提出的一個同步串行外設(shè)接口,容許CPU 與各種外圍接口器件(包括模P數(shù)轉(zhuǎn)換器(APD) 、數(shù)P模轉(zhuǎn)換器(DPA) 、液晶顯示(LCD) 驅(qū)動器等等) 以串行方式進(jìn)行通訊、交換信息. 它使用4 條線:串行時(shí)鐘線(SCK) 、主機(jī)輸入/ 從機(jī)輸出線(MISO) 、主機(jī)輸出P從機(jī)輸入線(MOSI) 、低電平有效的使能信號線(CS). 這樣,僅需3～4 根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴(kuò)展具有SPI接口的各種IPO器件[6]。顯示屏領(lǐng)域因?yàn)榭刂品绞降奶攸c(diǎn)(點(diǎn)數(shù)多，距離近)，采用了這種串行總線通訊方式。

圖19 蘇州時(shí)代廣場天幕Fig.19 The sky canopy of SUZHOU Times Square

4.1 SPI燈飾控制系統(tǒng)簡介

SPI控制方式采用了不可編程邏輯芯片，成本較低，適合點(diǎn)數(shù)多的應(yīng)用，但因?yàn)閭鬏旑l率很高，易受干擾，因此傳輸距離較短。因?yàn)轱@示屏是比較集中的控制，點(diǎn)數(shù)多，且基本都是一體化設(shè)計(jì)，所以SPI控制被廣泛應(yīng)用在顯示屏領(lǐng)域[7]。

進(jìn)入燈飾行業(yè)后，首先得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的是8段數(shù)碼管燈具，這是因?yàn)閺娘@示屏行業(yè)沿用過來的都是8通道、16通道的移位IC。由于燈飾行業(yè)的特殊性，控制段數(shù)多樣，燈具間距不確定，燈具排布不規(guī)則，施工接線復(fù)雜，拿來主義的傳統(tǒng)4線多段控制方式不能滿足燈飾行業(yè)的需求，所以針對性的改進(jìn)也逐步形成。

當(dāng)前主流的燈飾SPI控制系統(tǒng)下端采用的是3通道、6通道、9通道等移位IC，單線或雙線制信號傳輸。上端控制分為聯(lián)機(jī)脫機(jī)控制兩種，聯(lián)機(jī)時(shí)依托上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)控制，脫機(jī)時(shí)采用脫機(jī)控制器，讀取SD卡或CF卡內(nèi)由上位機(jī)編輯軟件生成的存儲卡文件，實(shí)現(xiàn)LED燈具的控制(圖20)。

圖20 SPI燈飾控制架構(gòu)Fig.20 SPI decorative lighting control architecture

4.2 SPI燈飾控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

SPI是一種串行總線通訊方式，控制器以級聯(lián)輸出的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包至每個移位IC，移位IC在接收到數(shù)據(jù)后解析自己需要的信號并轉(zhuǎn)換為PWM信號控制LED芯片，同時(shí)把數(shù)據(jù)包繼續(xù)丟給下一個移位IC。

SPI控制在燈飾行業(yè)應(yīng)用中的特點(diǎn)是：

其一，SPI移位IC目前多數(shù)設(shè)計(jì)為恒流輸出，可以直接驅(qū)動LED芯片，使得電路設(shè)計(jì)越發(fā)簡單。因所以當(dāng)前LED燈具越發(fā)小型化，且控制段數(shù)更加細(xì)膩。

其二，SPI移位IC目前加強(qiáng)了級聯(lián)傳輸能力，可以滿足現(xiàn)場距離長，間距遠(yuǎn)的問題，且?guī)лd能力也大幅提升，目前帶載最大可達(dá)1024個像素點(diǎn)以上，甚至存在可更大化擴(kuò)展的可能性。

其三，SPI移位IC采用級聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸方式，無需設(shè)定地址，燈具可替換性高。但因?yàn)榇型ㄓ嵎绞?，也存在一個IC損壞，會造出信號無法傳輸下去的缺陷。

其四，SPI移位IC目前已經(jīng)逐步發(fā)展至雙線，單線成為主流，這大大降低了接線難度，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

其五，目前單雙線移位IC的通信協(xié)議不像標(biāo)準(zhǔn)4線移位IC那樣統(tǒng)一，而是不同的IC廠家制定了不同的通信協(xié)議，互不相通，各有所長，兼容性較差 (圖21)。

圖21 DMX燈飾控制特征Fig.21 DMX Decorative lighting control characteristic

4.3 SPI燈飾控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

如圖22所示，SPI燈飾控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷以下幾個階段：

第一階段：直接使用顯示屏控制系統(tǒng)，布線繁瑣，施工難度高，不易推廣。

第二階段：采用單片機(jī)程序控制，沒有上位機(jī)輔助，依靠人工編程，工作量大，不適合復(fù)雜工程應(yīng)用，一般用于數(shù)碼管溝邊實(shí)現(xiàn)跑馬流水等簡易效果。

第三階段：基于DSP,ARM之類的設(shè)計(jì)，可通過上位機(jī)軟件輔助，能實(shí)現(xiàn)視頻效果控制，并實(shí)現(xiàn)了聯(lián)機(jī)或脫機(jī)控制的選擇，但脫機(jī)控制可選性不多，不夠人性化?？刂破鬏敵龆丝谝话銕лd能力不強(qiáng)，需配套差分接收器使用。上位機(jī)軟件參考顯示屏軟件開發(fā)，對燈飾行業(yè)的異型布燈處理考慮不多，因此在異型布燈時(shí)編輯效果極度復(fù)雜。

第四階段：完全針對燈飾行業(yè)的特點(diǎn)研發(fā)，可滿足燈飾行業(yè)不規(guī)則的布燈編輯，實(shí)現(xiàn)任意異型布燈的輕松編輯。強(qiáng)大的上位機(jī)軟件繼承了顯示屏的強(qiáng)大功能，又增加了適合燈飾的諸多特色。簡單可靠的接口設(shè)計(jì)，配合專門針對燈飾開發(fā)的移位IC，控制器可直接驅(qū)動燈具，無需中間環(huán)節(jié)，帶載能力增強(qiáng)，傳輸距離變長，保護(hù)增加。

圖22 SPI主控發(fā)展歷程Fig.22 The Development history of SPI master controller

4.4 SPI燈飾控制系統(tǒng)的移位IC

SPI燈飾控制系統(tǒng)的移位IC的發(fā)展如圖23所示。

第一階段：直接采用顯示屏方面的移位IC，使用8通道，16通道的移位芯片諸如595，MBI5026，DMX114之類[8],所以早期這種控制大多應(yīng)用在輪廓燈方面，分8段，16段控制。傳輸信號線一般為四線或五，六線(DATE, DATE1, DATE2,CLOCK,LATCH,OE,GND)，接線較為復(fù)雜，所以一般采用防水接頭，但因防水接頭質(zhì)量的問題，這類應(yīng)用出現(xiàn)故障的幾率很高。

第二階段：因燈飾領(lǐng)域所需的燈具種類繁多，8段/16段的輪廓類燈具無法滿足市場需求，因此配套點(diǎn)光源應(yīng)用的3通道的移位芯片應(yīng)運(yùn)而生。這樣就解決了原有芯片的局限性，可以滿足大多LED燈具的控制。

第三階段：因標(biāo)準(zhǔn)SPI傳輸?shù)男盘柧€至少需要4線，接線很復(fù)雜，而防水接頭應(yīng)用在戶外質(zhì)量又很難得到有效保障，因此開始出現(xiàn)雙線，單線的移位芯片，即信號傳輸只需要2根甚至1根線，這樣可以有效解決接線復(fù)雜，防水不易處理的問題，做到了真正適合燈飾控制的需求。(圖23)

圖23 SPI移位IC發(fā)展歷程Fig.23 The Development history of SPI shift IC

4.5 四線SPI移位IC

傳統(tǒng)四線移位IC一般為8路，16路或更多的輸出端口，適合多段數(shù)燈具。信號線除了DATE數(shù)據(jù)外，還有使能信號，鎖存信號，時(shí)鐘信號(圖24)。

圖24 四線SPI移位IC工作原理框圖Fig.24 Four wire SPI shift IC illustrative diagram

4.6 單線SPI移位IC

針對LED燈飾開發(fā)的單線SPI移位IC，一般有三通道輸出(也有6/9/12等多通道)，更適合RGB的LED燈具，信號線只有DATE線，而把時(shí)鐘，鎖存，使能信號都集成了，因此接線更加簡單方便(圖25)。因此在燈飾領(lǐng)域輕松取代了原有的四線產(chǎn)品。

圖25 單線SPI移位IC工作原理框圖Fig.25 Single wire SPI shift IC illustrative diagram

4.7 各類3通道SPI移位IC比較

表3為目前市場上的一些單線或雙線移位IC的性能比較。

表3 市場常見移位IC特征比較Table 3 The feature Compare of The general SPI shift IC

4.8 單線SPI移位IC在燈飾控制上的優(yōu)勢及發(fā)展

SPI燈飾控制方式在中國的發(fā)展明顯快于國外，從各類單雙線移位IC的蓬勃發(fā)展可見一斑(目前國內(nèi)市場上至少已經(jīng)有幾十種各類單雙線移位IC)，而國際上鼎鼎大名的芯片商如TI等也只是剛剛起步雙線制移位IC。這種控制方式成本較低，卻可以實(shí)現(xiàn)更加絢麗豐富的控制，因此在國內(nèi)大受歡迎。

單線SPI控制方式的優(yōu)越性表現(xiàn)在：

(1)成本低。

(2)接線簡單，僅需DATE，GND兩根線，利于施工。

(3)無需寫地址，燈具可任意更換。

(4)級聯(lián)能力強(qiáng)，單個信號回路帶載多。

(5)灰度等級高，最高可支持4096級灰度，低灰階處理上明顯優(yōu)于256級的DMX控制。

但SPI控制同樣存在著明顯弱項(xiàng)，這也是需要改進(jìn)的地方。

(1)單只IC損壞，會影響后面IC的正常工作，故障表現(xiàn)強(qiáng)烈，易引起客戶不滿。

(2)傳輸頻率高，易受干擾，傳輸距離有限制。(雖然有很大改善，但仍無法與DMX控制的抗干擾長距離傳輸相媲美。)

(3)芯片種類過多，通信協(xié)議不統(tǒng)一，兼容性差。

可以預(yù)見，未來SPI移位IC的發(fā)展必然是改進(jìn)現(xiàn)有的一些劣勢：

(1)芯片可靠度更高，更不易損壞，抗打擊能力更強(qiáng)。

(2)芯片對信號的恢復(fù)整形能力進(jìn)一步增強(qiáng)，更抗干擾，傳輸距離更長。

(3)單雙線通訊協(xié)議逐步統(tǒng)一開放，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 基于網(wǎng)絡(luò)通訊的綜合性燈飾控制系統(tǒng)的發(fā)展

任何一個行業(yè)的發(fā)展都是從起初的混沌，逐步走向統(tǒng)一化，標(biāo)準(zhǔn)化，LED燈飾控制行業(yè)也不例外。從最初控制方式五花八門，各廠家產(chǎn)品互不兼容，協(xié)議封閉，逐步開始走到現(xiàn)在的控制方式明確，相互兼容，協(xié)議開放。從最初的DMX512總線，各廠家自開放協(xié)議的RS485總線，四線SPI串行總線，加密的4線，5線，甚至6線SPI串行總線，形形色色，種類繁多。走到今天，行業(yè)開始趨于統(tǒng)一化，標(biāo)準(zhǔn)化，基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的綜合性控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，可以兼容控制DMX512，各類單線SPI,雙線SPI，四線SPI等等(圖26)，真正實(shí)現(xiàn)了LED燈具的完全統(tǒng)一控制。

圖26 綜合性燈飾主控終端Fig.26 Comprehensiveness decorative lighting master control terminal

5.1 綜合性控制系統(tǒng)的市場需求

現(xiàn)代建筑景觀照明設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師們需要的是多種燈具的配合實(shí)現(xiàn)效果，希望選用不同種類的燈具，通過點(diǎn)線面的燈光結(jié)合，實(shí)現(xiàn)和諧統(tǒng)一的燈光秀 (圖27)。

圖27 綜合性燈飾控制的設(shè)計(jì)需求Fig.27 The design requirement comprehensiveness decorative lighting control

從控制上講，因?yàn)樗x燈具的應(yīng)用位置，呈現(xiàn)效果，成本考慮等等的不同，有些燈具適合DMX 控制，比如間距長且分散的，而有些燈具適合SPI控制，比如色彩要求細(xì)膩，燈具密集排布，點(diǎn)數(shù)較多的。

在這種需求下，集DMX,SPI于一體的綜合性控制系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生。

一個典型的設(shè)計(jì)方案，大樓立面采用彩色燈屏設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)類似顯示屏效果。而裙樓部分則采用不規(guī)則排布的洗墻燈，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則的燈光效果(圖28)。但作為一體的建筑兩者需要有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光影的配合，風(fēng)格的統(tǒng)一，所以一體控制就顯得很有必要了。

圖28 某大樓綜合性控制系統(tǒng)原理圖Fig.28 Comprehensiveness decorative lighting control system diagram of a building

5.2 綜合性控制系統(tǒng)的架構(gòu)

綜合性控制系統(tǒng)的一般架構(gòu)是上端借用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的傳輸與通訊，下端控制器則通過運(yùn)算處理，將接收到的視頻流數(shù)據(jù)解析并轉(zhuǎn)換為DMX512信號或SPI信號，從而實(shí)現(xiàn)對DMX燈具或SPI燈具的控制(圖29)。

圖29 綜合性燈飾控制原理框圖Fig.29 Comprehensiveness decorative lighting control illustrative diagram

5.3 緣何上端通訊借用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，豐富多樣的設(shè)備資源，可靠的傳輸性能使得TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊成為目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)傳輸形式之一(圖30)，被大量應(yīng)用在各個領(lǐng)域，也包括LED燈飾控制。簡單的接線，方便的操作為燈飾應(yīng)用帶來了很大的便利性。100Mbps的傳輸速率可以傳輸更大更多的數(shù)據(jù)流，從而增大帶載能力及視頻處理能力，而借用豐富多樣的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，又大幅提高了擴(kuò)展的可能性[9]，所以網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在燈飾控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

圖30 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備Fig.30 General network topology and Network communication equipment

5.4 下端控制器對DMX，SPI的統(tǒng)一控制

基于ARM,DSP,FPGA等設(shè)計(jì)的下端控制器是控制的核心，通過程序的編輯，實(shí)現(xiàn)對DMX或SPI的控制，從而達(dá)到了統(tǒng)一控制的需求(圖31)。

圖31 下端控制器工作原理框圖Fig.31 The sub controller Working principle diagram

5.5 綜合性控制系統(tǒng)的應(yīng)用展示

圖32為某廠家展示的SPI燈具，DMX燈具綜合一體化控制的主題燈光秀。

圖32 某廠家綜合性控制系統(tǒng)展示效果Fig.32 Comprehensiveness decorative lighting control system show of a manufacturer

6 其它控制方式在LED燈飾領(lǐng)域的發(fā)展

6.1 PLC技術(shù)在燈飾領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

可編程邏輯控制器(PLC)，是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。在工業(yè)自動化領(lǐng)域里因其可靠性穩(wěn)定性得到了廣泛應(yīng)用[10]，但其在LED燈飾領(lǐng)域，卻有些“水土不服”，僅在早期得到一些應(yīng)用，作為群組開關(guān)控制使用。因成本問題(單臺設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)有限)，只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，如進(jìn)行調(diào)光控制還需進(jìn)行二次改造等原因，PLC控制在LED燈飾領(lǐng)域并未取得成功，目前僅作為配合控制在某些特定場所有一些應(yīng)用。

6.2 RS485總線技術(shù)在燈飾領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

以Dynalite，Lutron，ABB，奇勝等代表的智能照明控制系統(tǒng)在燈光場景控制方面占據(jù)統(tǒng)治地位，其主要的應(yīng)用是回路控制。而DALI協(xié)議作為專用的照明控制協(xié)議，更進(jìn)一步可滿足單燈的調(diào)光控制，配合轉(zhuǎn)換設(shè)備也可以做到對LED燈具的PWM調(diào)光[11]。Dynalite，ABB等也推出了專門用于LED燈具調(diào)光的PWM調(diào)光模塊來滿足LED市場。但畢竟它們的架構(gòu)都是搭建在較低頻率，較少點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)對千變?nèi)f化，數(shù)目龐大的LED燈飾還是力不從心。所以目前這類技術(shù)的應(yīng)用主要也是與DMX&SPI控制相配合，從配電方面對燈飾進(jìn)行場景回路控制。

6.3 基于單片機(jī)技術(shù)的控制在燈飾領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

早期很多廠家應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，自定義485總線通訊協(xié)議，下端采用單片機(jī)模擬輸出PWM信號控制LED燈具，因成本的低廉，得到了較為廣泛的應(yīng)用。但這種控制方式的局限性在于協(xié)議的不開放，每個廠家都依賴自己的工程師進(jìn)行單片機(jī)通訊協(xié)議的制定，應(yīng)用程序的編寫，受人的因素影響很大。因此這種做法逐步被開放的DMX控制方式及SPI控制方式取代，慢慢退出歷史舞臺。目前僅一些內(nèi)控的LED燈具采用這種控制方式，實(shí)現(xiàn)簡單的自變化效果。

7 未來燈飾控制發(fā)展的展望

7.1 LED燈飾的自檢測自報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展

作為控制而言，理想做法自然是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的自動控制。實(shí)現(xiàn)自我偵測，自報(bào)警，才稱得上是真正的智能控制。目前，在照明領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟的是對回路實(shí)現(xiàn)自偵測自報(bào)警的控制功能，應(yīng)用比較廣泛的是在路燈(三遙控制箱見圖33)，隧道燈，體育場館照明等領(lǐng)域。而要實(shí)現(xiàn)單燈(尤其可控的LED類燈具)的自偵測自報(bào)警功能目前尚不成熟，成本投入及必要性方面還需考量，但可以預(yù)估，這必將是一個賣點(diǎn)和發(fā)展方向。

圖33 路燈三遙控制箱可實(shí)現(xiàn)自檢測自報(bào)警Fig.33 The telecontrol,telecommunicatiom and telemetry control box can be achieved automatic detection and automatic alarm

7.2 LED燈飾與人互動技術(shù)的發(fā)展

人機(jī)交互一直是智能控制領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，諸如電視，投影等與人互動的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常普遍(圖34)。LED燈飾與人互動目前也有很多初級的應(yīng)用，采用紅外，微波，壓力傳感等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人與燈光的互動并不罕見[12]。但目前這類技術(shù)主要還是集中在初級階段，即單點(diǎn)互動，而根據(jù)人的狀態(tài)捕捉互動(多點(diǎn)動作判斷)的技術(shù)還有待進(jìn)一步的提高與發(fā)展。相信這必然也是未來發(fā)展的一個方向，尤其在公園，游樂場，體育藝術(shù)場館，博物館，商場等各類公共場所需要這種趣味需求來提升人氣。

圖34 互動投影與互動電視Fig.34 Interactive projection and interactive television

7.3 LED燈飾與其它各類智能控制的結(jié)合

LED燈飾的控制目前主要還是自成一體，游離于其它智能控制系統(tǒng)以外。隨著市場各類需求的提出，LED燈飾與智能樓宇控制的結(jié)合，與舞臺燈光，音樂噴泉，室內(nèi)照明控制，智能照明控制系統(tǒng)等的結(jié)合，與WIFI無線通訊，GPS，移動通訊[13]，云網(wǎng)絡(luò)等的結(jié)合，與監(jiān)控，光控等各種外設(shè)的結(jié)合，正變得越來越多，且業(yè)已有一些相對成功的應(yīng)用，但未來更便捷更開放的結(jié)合將成為趨勢，技術(shù)的發(fā)展將會使得這些應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

7.4 LED燈飾采用無線控制的發(fā)展

隨著WIFI技術(shù)，ZIGBEE技術(shù)的發(fā)展，無線控制在各領(lǐng)域的應(yīng)用變得越發(fā)普及(圖35)。作為LED燈飾行業(yè)而言，無線技術(shù)可以有效減少布線帶來的麻煩，降低施工成本與難度，應(yīng)該說誘惑很大[14]。但由于燈飾行業(yè)的特殊性：受控?zé)艟叨唷⒎植忌y不規(guī)則，采用無線控制還是存在諸多困難。筆者認(rèn)為，在LED燈飾領(lǐng)域，無線控制較為適合的是場景控制，狀態(tài)控制，而非實(shí)時(shí)控制。

圖35 路燈無線單燈控制器與室內(nèi)無線控制系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.35 Wireless single street lamp controller and indoor wireless control system topological graph

7.5 LED燈飾3D效果呈現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展

3D軟件與3D控制在LED燈飾上的實(shí)現(xiàn)，世博會的企業(yè)聯(lián)合館(圖36)做了這個嘗試，但其實(shí)現(xiàn)方式并不足以稱之為技術(shù)的革命，后續(xù)還有很多技術(shù)等待開拓與實(shí)現(xiàn)。

圖36 2010上海世博會企業(yè)聯(lián)合館Fig.36 Shanghai Corporate Pavilion Expo 2010

8 結(jié)語

LED燈飾作為LED大規(guī)模應(yīng)用的先驅(qū)，在LED光源應(yīng)用的推廣上起到了至關(guān)重要的作用，而LED燈飾控制系統(tǒng)的發(fā)展正是其絢麗多姿身影背后的重要推手。作為一個新興的控制領(lǐng)域，LED燈飾控制系統(tǒng)可以說是由國人一手壯大，其發(fā)展勢頭及靈活化程度均領(lǐng)先于國外。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信未來LED燈飾控制系統(tǒng)必將擺脫原來數(shù)碼管給人留下的陰影，在城市照明中發(fā)揮更大的作用，并逐步發(fā)展至架構(gòu)更簡單，施工更方便，調(diào)試更容易，使燈具更加節(jié)能，使效果更加絢爛，從而為照明行業(yè)的發(fā)展添磚加瓦！

[1] 錢明光.DMX512信號格式及應(yīng)用[J].視聽界廣播電視技術(shù)，2006(5).

[2] Adam Bennette.Recommended Practice for DMX512.London,1994.

[3] 方福波，劉有源，陳定方.DMX512控制協(xié)議及實(shí)現(xiàn)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2002，13(3).

[4] 黃以華，廖世文，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(xué)報(bào)，2009，20(4).

[5] 韓振雷，齊立森.DMX512燈光控制協(xié)議的傳輸特性及應(yīng)用要點(diǎn)分析[J].燈與照明，2009(3).

[6] 何立民.單片機(jī)高級教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[7] 吳光，牛德利，趙暉. LED顯示屏電路技術(shù)概況[J].現(xiàn)代顯示,2001(1).

[8] 諸昌鈴.LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2000.

[9] 龔娟.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(第2版)[M].人民郵電出版社，2013.

[10] 何波.電氣控制及PLC應(yīng)用[M].中國電力出版社，2008.

[11] 張開羽.基于DALI協(xié)議的智能照明控制系統(tǒng)[J].電子工程師，2004(9).

[12] 張宏潤.傳感技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[13] 張?jiān)儡?，吳明?智能照明系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2004，15(4).

[14] 浦敏，李云飛，王宜懷.基于物聯(lián)網(wǎng)的無線照明控制系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(2).