多兼容LED照明控制系统的研发

摘  要：目前，LED的控制系统复杂，材料采购难度大，维修周期长；如果发生灯具厂家不配合或倒闭情况，LED将无法修复，严重影响整体效果且大大浪费资源。本项目的研发为LED灯具及控制系统的互换提供可能性，让照明控制更加完善可靠，将基于DMX512协议的照明主控器的软件和硬件实行统一，方便照明设施的维修以及更换，将以往的各厂家各自负责部分控制改变统一控制，实现统一管理。

关键词： LED  多兼容  DMX512协议控制

近年来，发光二极管(Light Emitting Diodes，LED)由于其全固态、长寿命、低电压驱动、体积小以及重量轻等特点，使之在民用及工业领域都得到了广泛应用。二十世纪八九十年代，智能楼宇的兴起将智能照明控制系统的应用带到了一个全新的高度。

调光网络协议的制定具有划时代的意义，这也引起了众多商家在效仿DMX512协议的基础上设计研发更加出色的调光协议，智能照明系统网络协议的研发领域出现了欣欣向荣、百花争艳的局面。

DMX512协议控制器支持DMX512协议接口，可外接DMX512设备远距离控制。但目前市场上多数LED终端控制器生产厂家采用了变异的DMX512协议，控制器的接口、协议五花八门，控制器的功能、质量良莠不齐，使得一般的DMX512协议控制器无法兼容多个不同厂家的LED灯具。因此，寻求一种多兼容LED照明控制器显得至关重要。

1. 照明控制器分析 1.1 DMX512协议控制器的组成

兼容DMX512协议控制器主要由两部分构成，一个是与LED终端控制器相连的协议分控制器，另一个是在控制中心的主控制器。

1.1.1控制器的方框图
1.2 方案设计

方案一：微处理器芯片

一般微处理器自带的接口只有一到两个，一般都不会超过4个。所以在本项目中，要想实现多达16个接口，如只用一片微处理器芯片是不够的，如果用多片微处理器芯片来实现16个接口的话，是可以实现的，但是用多片微处理器芯片，接口之间协调性不高，如需同一时刻发送数据，实时性不高，而且多片微处理器芯片都需要有各自独立的软件来控制，所以用这个方案的话，可行性不高。

方案二：IO口模拟多接口

一片微处理器芯片，如ARM微处理器，虽然只有为数不多的接口，但有些人提出可以用软件模拟的方法，把一般的IO口做成接口，这样就可以把ARM变成很多个接口了，这个方案看起来不错，但是经过实际的测试，发现模拟出来的接口稳定性不高，而且波特率不能设置得很高，所以用软件模拟的方案也不太可行。

方案三：FPGA实现多接口

上个世纪末出现的FPGA经过二十多年的发展,由于其具有用户可编程的特性,已逐渐被市场所接受。使用PLD(可编程逻辑器件)来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。我们可以自己在FPGA的软件平台和硬件平台下设计多接口扩展。利用FPGA实现接口扩展的另一优势在于可以利用FPGA芯片剩余的资源空间,将其他功能模块整合在一块FPGA上,这样就很好的节约了成本 ,这种优势是其它方案所无法比拟的。

所以在本项目方案中，拟采用FPGA来实现16个接口，ARM微处理器收到以太网数据后，经分析处理就可以通过FPGA的多个接口将DMX512协议发送到各个LED终端控制器，实现LED的控制。

2.关键技术

2.1 基于以太网的系统硬件设计

本设计采用ARM和FPGA实现DMX512协议控制，其中ARM主要负责网络通信，人机交互，FPGA主要实现DMX512协议。在起先的硬件设计中，主控和分控之间的通信采用的是RS485通信方式，认为RS485通信方式简单、易开发、成本低。所以在第一版硬件设计中，采用的就是RS485通信。后来在调试时发现，这种通信方式的带宽不够，简单的计算如下，假如场景速率按照每秒10帧来计算的话，一个分控最多可有16个DMX512通道，RS485通信是串行通信方式，所以每秒要在这个串行线上传输的帧就有160个，要想在这一秒内传输完160个帧的话，每帧占用的时间大约为6ms，相应的传输位速率为1us，波特率为1M，而采用RS485通信方式的话是达不到这么快的，所以这种方案失败了。在第二版的硬件设计中，主控和分控间的通信换成了速率为10M的以太网通信，采用这种通信方式后，速率的瓶颈得以解决，一个主控可以带多个分控。

2.2 FPGA与ARM的接口设计

ARM是高速处理器，是串行设备，可以实现控制，协议解析等工作，当然也可以产生控制时序，但DMX512时序是一种慢速时序，用ARM实现会大大的降低系统的实时性，为此系统利用FPGA的并行优势，用FPGA来产生DMX512控制时序，再在ARM和FPGA之间架设一个数据通道，实现串行处理器与并行处理器的无缝连接。

FPGA与ARM之间主要用于传输DMX512亮度数据，同时也传送一些控制命令，状态数据等，传送数据为8位。FPGA连接在ARM的GPIO总线上，如图7。由于DMX512设备为慢速设备，ARM为高速处理器，为了提高ARM的效率，在FPGA内部开辟RAM空间作为DMX512亮度数据的缓存，一个DMX512数据包为512字节，共有16路，所以在FPGA内部开辟了512*16B的空间即可。
2.3 DMX512模块

在FPGA中要实现16路DMX512控制时序，然后通过RS485芯片转成差分信号输出。FPGA内部先实现一个DMX512时序模块，对于FPGA来说并行处理是它的最大优势，设计好DMX512模块后，再实例化15个相同模块即可。FPGA的DMX512信号输出为单一信号，通过MAX485芯片，将其转化为符合RS485标准的差分信号。模块结构如图8。
2.4 协议破译

协议破译是指拿到灯具以后，能判断出该灯具所采用的是哪种协议，进而能用本设计的控制系统去控制它。

首先查看原厂控制器是采用哪种协议的，从而可推断出该灯是用什么协议工作的，一般灯的协议都采用的是DMX512协议，有区别的是可能是某些字节的定义有不同的含义，每个灯具所占的通道数可能不一样，RGB的排列方式也可能不一样。这些工作是需要一点点去破解的，当把灯的通道数和RGB的排列方式都知道后，则可以编辑场景文件，去自由地控制灯的变化了。

破解工具1：示波器（硬件），通过示波器截获RS485通信线的电信号，分析通信的波特率，字节位数，有无奇偶校验位等。

破解工具2: 接口数据分析软件，在破解工具1的基础上，获取十六进制数据，进一步分析协议的每一个字节的定义及其含义。

2.5 场景软件数据的高压缩

通用场景生成软件生成的数据文件一般有数M，我们解析了此文件的数据结构，找到一种高效的压缩方法，使得压缩文件只有原文件的1%左右，这样主控与分控之间的数据传送的压力大为减轻。对网络的带宽要求可以降低了很多。分控只要对数据进行解压缩进行还原，实现了设计的场景变化。

3. 项目创新点

3.1 兼容多种变异的DMX512协议

DMX512协议控制器支持DMX512协议接口，可外接DMX512设备远距离控制。包含DMX512解码器，可设定地址，可接收标准DMX512信号。但目前市场上多数LED终端控制器生产厂家采用了变异的DMX512协议，使得一般的DMX512协议控制器无法兼容多个不同厂家的LED终端控制器。我们研发成功的DMX512协议控制器可支持多个不同厂家的LED终端，目前已有15个品种，即15个不同的DMX512变异协议。通过解析这些厂家的LED终端的通信协议，将其写入SD卡中，我们的DMX512协议控制器根据SD卡中存储的通信协议格式，就可以不用对程序做任何修改，实现对不同厂家的LED终端的控制。

3.2 基于TCP/IP的ARM+FPGA双处理器架构

我们选择了一款具备MAC(介质访问控制)接口的CORTEX-M3 ARM芯片——LM3S6965，可以实现TCP/IP功能，也就是说你在北京，控制器在常州，只要能上网，你可以控制常州的LED终端的场景。主控和分控之间通过以太网的连接，通过路由器。理论上讲一台主控器可以接232个分控器。

FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I／O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I／O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。

我们在分控器中采用FPGA实现16个接口的高速数据发送，FPGA接收ARM处理器的信息，包括场景信息、通信协议格式和参数配置等。

通过FPGA技术及ARM技术两者的结合，全面提升了控制器系统的性能，使整个系统的工作效率、控制实时性和系统可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技术的先进性。

3.3 16个485接口

DMX512协议控制器是通过RS485总线发出控制命令的，一个485接口可以接入512个地址，“512”之名由此而来。如果一个灯具有8个RGB三色模块，则要占24个地址，那么一个接口最多只能接21盏灯。

目前市场上的DMX512协议控制器最多只有8路接口，而我们实现了16路接口，也就是说一个分控可以接336盏灯(每个灯具24个地址)。从8路接口到16路接口在技术上是一突破，因为占用微处理器的资源加倍了，另外还要实现这16个接口的同步发送也非易事。

4. 研发过程

4.1 实验室研发 4.2 工程现场研发 4.3产品样机 4.4 产品试运行 5.取得的效益

5.1通用性

本项目研究成功的多兼容LED照明控制器可以兼容各类DMX512协议的不同灯具厂家的控制器。那么原本需要N家控制器才能控制的复杂景观照明体系，可以简化为同一家控制器进行控制，实现了良好的通用性。不但解决了控制器之间的兼容问题，还将有效了实现了资源整合的可持续发展理念，在科技创新和绿色照明的今天，有着非常实际的意义。

5.2节能性

本项目研究成功的多兼容LED照明控制器能够实现各种效果的编辑，可以根据不同的需求，设置三大类的效果：节日模式、平常模式、节能模式。尤其是节能模式的设置，可以通过黑底流星、明暗渐变、交替流水等不同的效果来控制灯具，从而达到节能的目的。这种方式不但具有良好的观赏效果，更能较大程度的节约能源，符合绿色照明的实施理念。

5.3稳定性

本项目研究成功的多兼容LED照明控制器简化了元器件的使用，使得故障点大大降低。尤其是控制器的统一，使得弱电线路明显减少，信号干扰和互相兼容的问题几乎可以避免，使得产品在使用过程中的伤害程度降到了最低，稳定性大大提高。

6.结语

多兼容LED照明控制器的研发成功，为维修保养节约了成本，避免因灯具厂家的原因而废弃大量LED灯具。同时也为规范LED照明控制市场LED控制器的市场前景广阔，每年仅常州市场LED控制器（包括主控、分控）的更换量要达到几千台，推广至全省、全国，销售规模更加庞大。再加上LED灯具户外使用的复杂性和易损坏性，控制器的更换和使用将是一个长期的持续性的过程，该项目的推广前景十分乐观。