藍(lán)抱年
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一種自動(dòng)批量分配地址的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng)
藍(lán)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(tái)燈地址。網(wǎng)絡(luò)地址實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配一直是個(gè)難題。如果使用傳統(tǒng)方法對(duì)各個(gè)燈具逐一設(shè)置DMX地址則耗費(fèi)太多時(shí)間,效率太低。設(shè)計(jì)一種能夠快速批量自動(dòng)設(shè)置DMX起始地址的控制系統(tǒng),提升工作效率。采用獨(dú)立地址信號(hào)線、地址發(fā)送模塊、地址接收模塊、控制單元等,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量分配地址。經(jīng)大型工程案例驗(yàn)證,操作便捷穩(wěn)定性高。
照明系統(tǒng);RS-485;DMX512;通信地址;自動(dòng)分配
隨著科技的快速發(fā)展,可實(shí)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(guò)控制照明系統(tǒng)中各種燈光的顏色、亮度以及投射點(diǎn)的變化,豐富了各類生活場(chǎng)景。
DMX512協(xié)議自1986年制定以來(lái),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(hào)線為3股,如圖1所示,連接在1腳的信號(hào)線是接地的,分別連接在2、3端口的信號(hào)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(tái)撥碼或逐臺(tái)用RDM設(shè)置等方式手工對(duì)每臺(tái)照明燈進(jìn)行設(shè)置。但是,采用該傳統(tǒng)方法對(duì)照明燈逐個(gè)設(shè)置DMX地址則耗費(fèi)太多時(shí)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(tái)進(jìn)行,效率太低。DMX地址實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量分配是個(gè)急需解決的難題[1]。
標(biāo)準(zhǔn)DMX512信號(hào)接口為3針,如圖1所示。連接在1腳的信號(hào)線是接地的,分別連接在2、3端口的信號(hào)線DMXA、DMXB是用于通信的。J1是信號(hào)輸入,J2是信號(hào)輸出,燈與燈之間的DMX信號(hào)是并聯(lián)方式連通。此并聯(lián)信號(hào)連接方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量地址自動(dòng)分配操作,只能通過(guò)RDM功能發(fā)送指令,對(duì)燈具手工逐臺(tái)分配地址。
實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)分配地址,首要條件是燈與燈之間的信號(hào)是串聯(lián)連接方式。當(dāng)?shù)?臺(tái)燈完成寫(xiě)地址操作后,地址數(shù)自動(dòng)加1,指令及地址值通過(guò)串聯(lián)地址線發(fā)送到第2臺(tái),第2臺(tái)燈完成寫(xiě)地址操作后,地址數(shù)又自動(dòng)加1,發(fā)送到下一臺(tái)……直到把所有燈具的地址寫(xiě)完。
由上述可知,要實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)分配地址,首要條件是燈與燈之間的信號(hào)是串聯(lián)連接方式。實(shí)現(xiàn)燈具信號(hào)串聯(lián)連接有下以兩種方案。
1.3.1 方案一:可控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)串
不改變傳統(tǒng)的3針DMX信號(hào)線,在燈具內(nèi)增加可控開(kāi)關(guān)(如繼電器)來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和串聯(lián)轉(zhuǎn)換,并聯(lián)時(shí)實(shí)現(xiàn)DMX通信功能,串聯(lián)時(shí)實(shí)現(xiàn)地址分配功能。這樣實(shí)現(xiàn)DMX通信與寫(xiě)地址線共用,優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)線能和傳統(tǒng)舊燈具的DMX信號(hào)線兼容[2-3]。但這種方案有一個(gè)很大的缺點(diǎn):一旦可控開(kāi)關(guān)失控停留在寫(xiě)地址狀態(tài),燈具無(wú)法回到DMX通信狀態(tài),級(jí)聯(lián)的后級(jí)燈具將全部失去控制。當(dāng)成千上萬(wàn)臺(tái)燈具裝在一幢大樓上,其中一臺(tái)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(jī)高空作業(yè)售后維護(hù)價(jià)格高昂不可估量。
1.3.2 方案二:增加獨(dú)立地址線
在3針DMX線中增加2針獨(dú)立線作為寫(xiě)地址,DMX通信與寫(xiě)地址操作可同時(shí)進(jìn)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)。
選擇了上述方案二后,在3針DMX線中增加2針獨(dú)立線寫(xiě)地址,為讓工程安裝燈具時(shí)布線更方便,走線更整潔,需對(duì)電纜線重新設(shè)計(jì)?,F(xiàn)把DMX線、寫(xiě)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(tái)燈中。
圖2中的三合一電纜線,與燈具組裝時(shí)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(kāi)皮,并通過(guò)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(tái)燈具的公插座上??傮w上看,電源及信號(hào)從燈具的公插座進(jìn)入,再?gòu)碾娎|的母插頭出來(lái),級(jí)聯(lián)到下一臺(tái)燈具。
圖4是該三合一電纜線的接口結(jié)構(gòu)及信號(hào)腳定義,其中第1腳AGND是信號(hào)屏蔽層,阻隔外界及電源線對(duì)信號(hào)的干擾,同時(shí)作為DMX信號(hào)的地線。第2和第3腳是DMX信號(hào)線,第4和第5腳是寫(xiě)地址信號(hào)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(hào)腳定義
為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分配地址目的,采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
圖5 原理框圖
如圖5所示,一種自動(dòng)批量分配地址的控制系統(tǒng),包括控制盒、多個(gè)控制單元、通信信號(hào)線??刂坪小⒍鄠€(gè)控制單元通過(guò)通信信號(hào)線順次連接,還包括地址信號(hào)線。每個(gè)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(guò)地址信號(hào)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(guò)地址信號(hào)線與上一個(gè)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(guò)通信信號(hào)線連接的控制單元為第一控制單元,與第一控制單元通過(guò)通信信號(hào)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(dòng)分配地址過(guò)程如下。
(1)控制盒通過(guò)地址信號(hào)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(guò)地址信號(hào)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(guò)地址信號(hào)線傳輸?shù)较乱粋€(gè)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(dòng)分配地址過(guò)程,可以實(shí)現(xiàn)在控制盒給定初始地址的基礎(chǔ)上,各個(gè)控制單元依次自動(dòng)分配地址。在不改變傳統(tǒng)的通信信號(hào)線的基礎(chǔ)上,另外增加2針獨(dú)立的地址信號(hào)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(shí)進(jìn)行通信和自動(dòng)分配地址。
圖6是改進(jìn)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(shí)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(jìn)行通信。圖6的改進(jìn)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(gè)DMX通信接口(DMXA、DMXB)、一個(gè)接地接口的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)地址通信接口(AddrA-I、AddrB-I),地址發(fā)送模塊J2在兩個(gè)DMX通信接口(DMXA、DMXB)、一個(gè)接地接口的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)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(guò)地址信號(hào)線連接起來(lái)進(jìn)行地址分配。
圖6 改進(jìn)后的DMX512協(xié)議通信接口
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(gè)控制單元所連接的地址發(fā)送模塊、地址信號(hào)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(shí),地址會(huì)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(hào)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(hào)的變化中。根據(jù)RS-485收發(fā)器U2的電平信號(hào)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(hào),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(shí)施過(guò)程中,所述光耦U1型號(hào)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(shí),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(shí),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(shí)若遇雷擊,就會(huì)起到快速放電防雷保護(hù)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(hào)線輸入RS-485收發(fā)器U2輸入端的電平信號(hào)更加穩(wěn)定。C1是U2的濾波電容,使U2的供電無(wú)雜波干擾。R1是限流電阻,給U1內(nèi)部發(fā)光管一個(gè)合適的電流。R4和R5作用是阻抗匹配,可以使地址信號(hào)線與RS-485收發(fā)器U2之間的電阻相匹配,抑制地址信號(hào)線信號(hào)反射。
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(hào)線依次連接。
地址發(fā)送模塊J2會(huì)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(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生變化。RS-485收發(fā)器U4輸出端的電平信號(hào)變化通過(guò)地址信號(hào)線傳輸?shù)较乱粋€(gè)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(shí)施過(guò)程中,所述光耦U3型號(hào)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(shí),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(shí)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(hào)到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O,再通過(guò)地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個(gè)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(shí),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(shí)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(hào)到地址通信接口AddrA-O、AddrB-O,再通過(guò)地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個(gè)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(shí)若遇雷擊,就會(huì)起到快速放電防雷保護(hù)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(hào)更穩(wěn)定,不被干擾。C2是U4的濾波電容,使U4的供電無(wú)雜波干擾。R12是限流電阻,給U3內(nèi)部發(fā)光管一個(gè)合適的電流。R8和R9作用是阻抗匹配,抑制地址信號(hào)線信號(hào)反射。
在每個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)本燈體內(nèi)的地址發(fā)送模塊J2發(fā)送到下一個(gè)燈體內(nèi)的地址接收模塊J1,從而將地址依次分配給各個(gè)燈體。
分配好地址后,控制盒可以發(fā)出各個(gè)燈體的顏色、亮度等要求,通過(guò)通信信號(hào)線依次傳遞到每一個(gè)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(guò)程中,以采用DMX512協(xié)議實(shí)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(shí)每組照明燈數(shù)量只有1臺(tái),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(dá)512臺(tái)),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(guò)地址信號(hào)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(duì)本照明燈的DMX起始地址進(jìn)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(guò)組內(nèi)的最大照明燈數(shù)量。如果沒(méi)有超過(guò),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(guò),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(guò)地址發(fā)送模塊通過(guò)地址信號(hào)線發(fā)送給下一臺(tái)串聯(lián)燈體內(nèi)的地址接收模塊,如果沒(méi)有再繼續(xù)串聯(lián)的燈體則DMX起始地址分配完成。
例如,假設(shè)某自動(dòng)批量分配地址的照明系統(tǒng)串聯(lián)10臺(tái)照明燈,并且采用DMX512協(xié)議進(jìn)行通信,分別給1~10的編號(hào),在控制盒中設(shè)置DMX起始地址為1,以2臺(tái)燈為一組,每臺(tái)燈具的通道數(shù)為1,則1號(hào)燈和2號(hào)燈的DMX起始地址為1,3號(hào)燈和4號(hào)燈的DMX起始地址為2,5號(hào)燈和6號(hào)燈的DMX起始地址為3,7號(hào)燈和8號(hào)燈的DMX起始地址為4,9號(hào)燈和10號(hào)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(tái)燈為一組,每臺(tái)燈具的通道數(shù)為2,則1~5號(hào)燈的DMX起始地址為5,6~10號(hào)燈的DMX起始地址為7。
美獅美高梅是澳門最創(chuàng)新的綜合度假酒店,項(xiàng)目投資總額高達(dá)34億美元,于2018年1月29日開(kāi)幕。美獅美高梅榮獲中國(guó)綠色建筑(澳門)設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)證書(shū),是獲頒此項(xiàng)殊榮之最大及首個(gè)私人的建筑項(xiàng)目。美獅美高梅的外墻裝有50?000多臺(tái)防水戶外建筑燈。燈具來(lái)自上述介紹的自動(dòng)分配地址方案設(shè)計(jì)。建筑燈產(chǎn)品型號(hào)是ELV3000、ELV-G1DMX、ELV-G2DMX、ELV-G3DMX、ELV-G4DMX共5款,共計(jì)50?000多臺(tái),總長(zhǎng)60?000英寸(合約1?524米)。自動(dòng)批量分配地址操作瞬間自動(dòng)完成,免去了用吊機(jī)逐臺(tái)人工設(shè)置或逐臺(tái)通過(guò)RDM方式手動(dòng)設(shè)置地址的煩瑣。此方案的穩(wěn)定性更讓項(xiàng)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(lè)體驗(yàn)。每當(dāng)夜幕降臨,本方案燈光系統(tǒng)把美獅美高梅點(diǎn)亮,上演一場(chǎng)夢(mèng)幻的光影交匯的燈光盛宴,帶給人們無(wú)上的視覺(jué)感受,體驗(yàn)一場(chǎng)美輪美奐、驚艷十足的獨(dú)具匠心的視覺(jué)盛宴。
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(dòng)批量分配地址的控制系統(tǒng)及照明系統(tǒng),在不影響各個(gè)控制單元之間通信的基礎(chǔ)上,可批量快速地為每個(gè)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(guò)在原有通信信號(hào)線的基礎(chǔ)上,增加地址信號(hào)線,并且每個(gè)控制單元設(shè)置地址接收模塊、地址發(fā)送模塊,可以同時(shí)進(jìn)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(guò)在照明系統(tǒng)中設(shè)置可自動(dòng)分配地址的控制系統(tǒng),可以自動(dòng)批量地對(duì)照明系統(tǒng)中的各個(gè)照明燈分配地址,無(wú)需工作人員逐個(gè)照明燈及進(jìn)行手工設(shè)置地址。
(3)通過(guò)對(duì)DMX線、寫(xiě)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(shí),本方案工作穩(wěn)定,能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。
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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(lán)抱年(1984—),男,電子工程師,主要研究方向?yàn)槲枧_(tái)燈具技術(shù)研發(fā)。