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      LED洗墙灯------OMX512解码控制器

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      LED洗墙灯------OMX512解码控制器

         OMX一512协议是国际通用的灯光调节及控制协议,广泛用于舞台灯光控制及城市亮化控制中。OMX512解码控制器的特点如下。

      (l)加装解码功能的控制器遵从DMX512协议,能被标准的DMX512控制台控制。

      (2)占用9个连续通道,设定范围为1一504。

      (3)通道地址自动记忆,支持99种图案模式。

      (4)兼容联机脱机控制。

      DMXS 12如图6一15所示。

      图6一1 5 DMX512

      在大工程应用中DMX512使用较多。

      1)系统描述

      LED灯具控制系统结构如图6一16所示。

      图6一16 LED控制系统结构

      整个系统由上位机、控制器、解码器及LED洗墙灯组成,上位机通过以太网配置控制器;控制器根据配置信息、产生DMX512控制信号和调光信号并负责接收解码器转发的灯具监控信息,然后给上位机;解码器挂接在控制器的RS485总线上,作为数据传输的中继器,设计中选取适当的匹配电阻以减少信号传输线上的信号反射;LED灯具挂接在解码器的单数据总线L,作为系统监控终端。上位机通过分配控制器IP地址可以控制250台控制器、1台控制器与3台信号解码器相连,1台解码器可以同时作为56个灯具的中继器,因此上位机、控制器、解码器及灯具可以组成强大的分布式灯光系统。

       一个完整的DMX控制指令称为“一个指令帧”,指令帧由帧头和帧数据两个部分组成,DMX指令帧格式如图6一17所示。

      图6一17 DMX指令帧格式

      帧头由传输暂停(BREAK)、传输暂停之前标志(Mark Before Break , MBB),以及传输暂停结束标志(Mark After Break , MAB)组成。对于标准的DMXS 12信号,MAB、BREAK及MBB都具有相应的取值范围或典型值,其中0≤MBB < 15、BREAK)88协s,典型值为176us ; 12us≤MAB < 1s。一个指令帧中的帧数据较多包含513字节的串口数据。1个串口数据含l个起始位、8个数据位和2个停止位,第1个串口数据为起始码SC(Start Code),用于标识指令帧的功能。默认为OOH,表示调光指令帧,后续串口数据表示对应数据通道的调光数值。用户可以自定义非零起始码,此时DMX指令帧为非调光指令帧,帧数据的具体含义由用户自行定

      义。串口数据位宽为4us,因此数据传输速率为250 kb/s。

        系统为每个解码器及灯具配置了唯一的地址,解码器1作为第1一56个灯具的中继器;解码器2作为第57一112个灯具的中继器;解码器3作为第113一168个灯具的中继器。由DMX512指令帧格式可知,每个DMX512接口较多可以控制512个通道。本系统中每个控制器占用504个通道,其中每个灯具占用3个数据通道(含3路RGB),每个通道数值的大小决定该通道对应的LED串的亮度。在灯具上合理分配LED的位置构成LED点阵,通过控制各个LED串的亮度实现灯具的色彩控制。控制系统DMX512通道分布情况如图6一18所示。

      图6一18 DMX512通道分布情况

      2)系统实现

      解码器负责接收控制器产生的标准DMX512信号,并对接收到的信号进行频率调制,使解码器可以同步速度更快或更慢地控制DMX受控设备。作为灯具与控制器通信的中继器,解码器在接收控制器产生的控制信息和调光信息的同时负责接收灯具的应答信息和监控信息,并返回给控制器。解码器的硬件设计结构框图如图6一19所示。

      图6一19角军码器的硬件设计结构框图

          当控制器向灯具传输数据时,控制器产生的RS485差分信号经解码器电平转换电路转换为TTL电平信号,经高速微控制器进行频率调制。而后经信号放大和功率缓冲电路传送给灯具,解码器与灯具通信链路采用光电隔离以提供电气保护。当信号由灯具向控制器返回数据时解码器接收单数据总线上的电平信号,并将信号还原为标准的DMX512指令帧,控制器产生的TTL电平经过电平转换电路转换成RS485电平返回给控制器。

        解码器与灯具的通信采用一点对多点网络结构,当解码器对灯具进行广播时,灯具获取DMX512信号的起始码并截取命令数据和调光数据存储在控制器的数据缓冲区中。控制器根据命令数据可以完成灯具的基本信息配置、温度检测和LED开路状态检测等操作,并将相应信息返回给解码器,根据调光数据可以对LED进行PWM调光操作。LED驱动电路采用驱动芯片实现,通过控制器产生的PWM信号实现LED的亮度控制。

        目前采用市电直接供电的LED灯具需要零线、火线及地线3根线。本系统LED灯具内置控制器,可以实现灯具的智能控制。理论上必须增加数据线和数据地线,即解码器和灯具级相连需要5根线。为了减小系统的布线成本,设计中以零线作为数据线的参考地,仅用4芯电缆(数据线D、零线N、工作或电源线L,以及地线G)完成灯具与解码器的级联。通信链路的电路设计如图6一20所示。

      图6一20通信链路的设计

         解码器向灯具发送信号时,通过解码器MCU的TXI发送TTL电平信号,信号经LM7171放大为24v逻辑电平。放大电路采用pF级电容实现弱负反馈以滤除信号的高次谐波,减小电路的电磁干扰。放大电路后级采用BUF634设计功率放大电路,以增强解码器的驱动能力。BUF634的较大持续工作电流达250 mA,带负载能力强(输出阻抗毛100)。设计时充分考虑电缆的阻抗,以及接收电路的输入阻抗,使每个解码器至少能够驱动56个灯具,驱动距离达200m以上,需要更长的传输距离时,可以考虑使用中继电路。24V数据信号经电缆传输至灯具的输入端采用电阻分压的方式还原为TTL信号,经高速比较器和光电隔离电路送至灯具MCU的UART的RX2。

        当灯具向解码器返回信号时,通过控制器的TX2发送TTL电平信号控制MOSFET的开关状态。当TX2为低电平时MOSFET开通,漏源极电阻很小。此时BUF634输出24V高电平则经过电缆线电阻分压得到TTL低电平,并通过信号返回链路经光电隔离电路返回给解码器的MCU;当TX2为高电平时,MOSFET处于关断状态,则返回链路L为TTL高电平,经光祸隔离电路将灯具监控信息和应答信息返回给解码器MCU。本半双工_链路设计简单,传输性能好;同时节约了系统布线成本。

      LED驱动电路设计采用专用LED驱动芯片HV9910B,设计框图如图6一21所示。

      HV99 10B可以在直流8一450v范围内稳定工作,具有电路结构简单、工作稳定及

      电源效率高等特点。芯片具有定频率和定关断时间两种工作模式,设计中采用定频率工

      作模式以便于精确调光。LED驱动的工作周期由芯片外接电阻RT决定:

      image

      设计一中选f=512 kHz,经计算RT取470kΩ。

      HV99 1OB驱动电路实质是采用峰值电流控制方式对MOSFET的开关状态进行控制的降压斩波电路,其内置检测电路当经过LED电流通过CS端的采样电阻产生的电压大于250 mV时将自动关断MOSFET,实现恒流控制。驱动电路设计的关键在于MOSFET工作频率及电感的选取。

      图6一21 Hv9910B驱动电路框图

      设MOSFET开关频率为f,经整流和功率因数校正后的直流电压为VDc,, LED串电压(输出电压)为VO,LED串工作电流为Io,续流二极管的正向导通压降为VD,电感的电感量为L,各参数存在如下关系:

      image

      设计LED驱动电路时考虑通过LED串的电流30%的纹波,则

      image

      由公式(6一2)一(6一5)得到

      image

      由公式(6一6)可以对驱动电路中各个参数之间的关系进行定性和定量分析,以作为驱动电路设计的重要依据。由公式(6一6)可知,当MOSFET开关频率一定,且选取电感的电感量较大时,LED工作电流的纹波较小;电感量一定时,较高的开关频率可以得到较小的纹波,通过理论分析可以得到驱动电路设计的较佳参数。

        本系统采用脉冲宽度调制(PWM)实现对LED的灰度控制,灰度等级是指LED同一亮度等级中从较暗到较亮之间能区别的亮度级数。PWM调光控制原理是利用PWM信号控制灯管的导通与截止的时间,通过控制低频信号的占空比控制输出平均电流控制LED的平均亮度。设PWM低频脉冲信号的开通时间为t,周期T为

                                  D=t/T    (6-7)

      假设满占空比时的电流为I。,LED串正向压降为UO,则LED平均电流为

                        I=D*I。(6-8)

      平均功耗为

      image

      当脉冲的重复频率f=l/T足够高时,人眼感觉不到LED的闪烁,得到的LED光强为

      image

      其中L为输出光强;LP为满占空比时的输出光强,f(Io)为LED光强与正向电流的转移函数。

      PWM调光原理如图6一22所示。

      图6一22 PWM调光原理

        图中输入控制频率即LED驱动电路中控制MOSFET开关状态的脉冲信号,其频率及占空比由LED驱动电路各元件参数决定。低频脉冲控制信号由灯具MCU自带的PWM模块产生,其占空比由对应DMX控制通道的数值大小决定。设计中LED具有256个灰度级,当DMX控制通道数值为N(O一255),对应低频脉冲控制信号的占空比D-N/256。

         在设计PWM调光控制算法时,必须注意低频控制信号的频率fpwm的选择。fpwm太低(小于120 Hz)会使LED工作时出现闪烁;反之,在输入控制信号频率一定的情况下 ,太高会使LED平均亮度变化不明显,达不到指定的灰度级。设计中输入控制信号频率及LED驱动电路工作的频率取512 kHz。fpwm为200 Hz,作为设计256个灰度级的较低要求。若需要更加精细地控制,必须提高输入控制信号的频率。每路LED具有2个灰度级,理论上可再现颜色数量(三基色的灰度等级乘积)为256*256*256共16 777 216种颜色。

      系统控制流程如图6一23所示。

      解码器与控制器及LED灯具之间均通过自身MCU内自带的UART实现数据收发,并利用电平变化检测模块检测DMX指令帧的帧头。一旦检测到数据,则立即判断接收。每个解码器和灯具具有唯一地址,控制器采用广播方式为解码器发送数据。解码器对灯具也采用广播方式将数据转发给灯具,灯具执行地址配置、状态检测及调光等操作并返回相应信息给解码器。控制器向灯具发送信息时,解码器接收控制器的DMX指令帧并重新封装指令帧。灯具接收重新封装的指令帧并分析帧数据的起始码和执行相应的解封装操作,灯具向解码器返回信息时也采用类似操作。控制器和灯具间的通信协议即计算机网络中的较为实用的停止等待协议的变形,协议简单而传输可靠。解码器和控制器的

         程序控制关键在于提高调光时的数据更新率,典型的DMX512信号数据传输速率为250 kb/s,当数据通道数为512时,典型的数据更新率为44帧/s。本系统采用解码器作为继器,数据通道数为168。设解码器与灯具通信波特率为五/s,则一个指令帧周期:了=((MBB+BREAK+MAB)+168*4*ll)*(250/f琳s调制后指令帧的更新率为1000000/T。解码器在数据接收时,设置具有乒乓结构的两个数据缓冲区(数据接收和数据发送缓冲区)。既保证了数据传输的可靠性,又将数据更新率的提升空间扩大为缓冲区的2倍。当解码器的数量增加时,每个解码器负责的通道数进一步减小,可以进一步提高调光数据的更新率。

      图6一23系统控制流程

         本例提出了一种有效的基于DMX512协议的LED灯具控制系统,系统控制灵活,且扩展性强。通过对控制器进行IP配置,很容易实现系统扩展,配合上位机软件可以得到强大的灯光控制系统。其他设备,如解码器可以实现信号调制,能够匹配不同速度的外部设备。而控制的对象不仅仅局限在LED灯具,也可以用在其他的控制场合。总之,本系统设计方法对于基于DMX512协议的照明设备系统设计具有重要参考价值。

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