46 西安理工大学学报 (2013) 第 29 卷第 1 期度, 并将反馈光敏人体感应等功能加入调光系统中, 可以方便节能地应用于家居及办公场所 1 智能调光系统总体设计系统的总体框架结构如图 1 所示, 一级解码器可以通过无线 GPRS 模块或者有线的 CAN 模块两种方式与上位机通信从

Size: px

Start display at page:

Download "46 西安理工大学学报 (2013) 第 29 卷第 1 期度, 并将反馈光敏人体感应等功能加入调光系统中, 可以方便节能地应用于家居及办公场所 1 智能调光系统总体设计系统的总体框架结构如图 1 所示, 一级解码器可以通过无线 GPRS 模块或者有线的 CAN 模块两种方式与上位机通信从"

更桧从
5 years ago
Views:

1 西安理工大学学报 JournalofXi anuniversityoftechnology(2013)vol.29no.1 45 文章编号 : (2013) 一种智能调光系统的研制与实现陈丹, 柯熙政, 王佳 ( 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安 ) 摘要 : 一般的舞台灯光控制采用 DMX512 协议, 只能进行实时灯光调控, 无法进行定时等功能控制针对这一问题, 本系统采用 ARM9 作为主处理器, 将定时反馈人体感应光敏等功能用于调光技术中, 不仅可以预设将来某段时间的调光状态, 而且使系统更方便更节能地应用于家居及办公场所试验结果表明, 该智能调光系统设计合理, 获得了各项满意的调光效果, 达到了设计要求关键词 : 智能调光系统 ;DMX512; 定时 ;ARM9 中图分类号 :TN 文献标志码 :A ResearchandRealizationofanInteligentDimmingSystem CHENDan,KEXizheng,WANGJia (FacultyofAutomationandInformationEngineering,Xi anuniversityoftechnology,xi an710048,china) Abstract:Ingeneral,DMX512protocolisadoptedtocontroloverthestagelighting,whichcanonlyreg ulatethereal timelightingbutnotcontrolovertimingandotherfunctions.withanaimatthisproblem, ARM9isadoptedasthemainprocesorinthissystem.Accordingly,suchfunctionsastiming,feedback, humaninductionandphotosensitivityusedindimmingtechnologycannotonlypre designthedimming stateinthefuturetimesection,butalsomakethesystembeusedinbothhomeandoficemoreconven ientlyandmoreenergy eficiently.theexperimentalresultsindicatethatthisinteligentdimmingsystem isrationalindesignandachievesthesatisfactorydimmingefectsofvariousitemssoastoreachthede signrequirements. Keywords:inteligentdimmingsystem;DMX512;timing;ARM9 二十世纪八十年代, 随着歌剧院电影院大型电视节目等文艺形式的出现, 舞台灯光控制技术开始占据重要地位随着灯光控制技术的慢慢推广, 人们需要一种统一的标准来规范灯光控制市场, 于是, 美国剧场技术协会工程委员会的委员们经过多方协商, 于 1986 年提出了灯光设备控制领域的一种数据传输标准 DMX512 协议, 正式方案在两年后形成 [1 3] 经过二十多年的发展, 如今的灯光控制领域又产生了几种影响力更加深远的协议, 比如 ACN 协议 Art Net 协议等, 这些协议都是在 DMX512 协议基础上发展而来的, 可以说 DMX512 协议开辟了智能调光技术中调光网络协议的先河 [4] DMX 是 DigitalMultiplex 的缩写, 译名为数字多路复用协议 DMX512 协议以帧为单位, 每帧数据由同步头和 512 个调光点组成, 以符合 EIA485 标准的串行方式进行数据发送和接收, 数据传输速率为 250kbit/s [5 7] DMX512 数据帧中, 每个调光点由 11 位组成,1 个起始位,8 个调光数据位,2 个停止位 DMX512 协议标准的统一使得各厂家的设备可相互连接, 兼容性大大提高 [8], 网络化灯光控制系统的末端大量采用 DMX512 信号智能楼宇的兴起将调光系统从舞台灯光设计开始转向人们日常生活的场所 [9] 针对目前的调光系统只能单纯地进行实时调光的特点, 本文将定时功能用于调光系统中, 可以预设调光时间和调光亮收稿日期 : 基金项目 : 陕西省科技统筹计划项目 (2011KTCQ01 31); 陕西省教育厅科技专项基金资助项目 (2010JK724); 陕西省自然科学基金项目 (2012JQ8004); 西安市科技成果转换基金项目 (CX12165); 西安理工大学高层次人员科研基金项目 ( ) 作者简介 : 陈丹, 女, 博士, 讲师, 研究方向为大气激光通信及信号与信息处理 E mail:chdh@xaut.edu.cn

2 46 西安理工大学学报 (2013) 第 29 卷第 1 期度, 并将反馈光敏人体感应等功能加入调光系统中, 可以方便节能地应用于家居及办公场所 1 智能调光系统总体设计系统的总体框架结构如图 1 所示, 一级解码器可以通过无线 GPRS 模块或者有线的 CAN 模块两种方式与上位机通信从上位机接收数据 ( 包括调光时间调光亮度和各种命令 ), 处理之后通过 485 总线根据时间输出 DMX512 调光信号给二级解码器 (51 单片机为主芯片 ) 驱动灯具此外, 本系统需带有反馈人体感应和光敏功能, 反馈是指一级解码器可以将灯具的反馈信息回馈给上位机 ; 人体感应功能开启时可以在没有人的时候熄灭灯, 节省电能 ; 光敏功能指一级解码器可以根据灯具所处地区的外界光照强度自动调节灯光亮度部分具体设计时, 数据接收部分由 GPRS 模块 EM310 和 CAN 转 UART 模块 CSM100 完成, 数据处理与控制部分由 ARM9 微处理器完成供电电路将外部的 5V 电源转换为系统各部分所必需的电压 ; 晶振电路为系统提供内部时钟信号 ; JTAG 接口电路为系统提供调试接口 ;RTC 时钟部分可以实时更新系统时钟 ; 复位电路用来手动复位 ARM; 一级解码器与二级解码器之间的电气接口为 RS485 嵌入式处理器采用三星公司的 S3C2440, 它是基于以太网应用系统的高性价比的 16/32 位 RISC 微控制器, 内含一个 16/32 位 ARM920T 处理器核 [10] 2.1 电源模块原理设计电源的设计在每个系统中都是重中之重, 电源设计的质量好坏对系统的性能也会有相当大的影响本系统考虑到, 系统的低功耗和芯片的普遍性, 选择了 LM MAX8860EUA18 和 MIC29302BU 电源转换芯片, 将外部 5V 电源, 转换为系统各部分所必需的 1.25V 3.3V 和 4V 电压, 对系统 CPU 内核外围存储设备 RS232 电路 JTAG 电路 EM310 模块和 CSM100 模块等供电如图 3 所示为 3.3V 电源的设计原理图图 1 系统框架结构图 Fig.1 Thestructureofsystemframe 2 一级解码器硬件电路设计一级解码器硬件组成如图 2 所示图 3 3.3V 电源电路 Fig.3 3.3Vpowersupplycircuit 图 2 一级解码器硬件结构图 Fig.2 Blockdiagramofhardwareofthefirststagedecoder 该系统主要包括以下几部分 : 电源及复位部分数据接收部分数据处理与控制部分数据输出 2.2 GPRS 及 CAN 总线电路连接部分无线通信方式中的 GPRS 模块的主要功能是用 SIM 卡通过 GPRS 网络与上位机建立连接, 通过 RS232 串口与 ARM 实现通信 GPRS 网络已经形成了覆盖全国的数据网络, 只要附近有 GPRS 网络基站, 就可以架设数据采集

3 陈丹等 : 一种智能调光系统的研制与实现终端, 没有通信距离的限制本设计中 GPRS 模块采用华为公司的 EM310, 其电路连接如图 4 所示图 4 GPRS 模块连接框图 Fig.4 GPRSmoduleconnectiondiagram 一级解码器通过 CAN 转 UART 模块 CSM100 与上位机的 CAN 总线相连,CSM100 的另一端与 ARM 的 UART 口连接, 由此建立起一级解码器与上位机的通信链路 CSM100 是集成微处理器 CAN bus 控制器 CAN bus 收发器 DC/DC 模块高速光电隔离于一体的嵌入式 CAN 转 UART 芯片, CSM100 可实现具有 UART 设备和 CAN bus 网络之间的数据通讯, 其中 UART 通道支持多种波特率, 范围在 :600~115200bps 之间可选,CAN bus 支持 5 ~1000kbps 共 15 种标准波特率在本设计中, 设置的 CAN bus 波特率为 250kbps, 该速率下上位机对一级解码器的控制距离可达 250m CSM100 模块的连接框图如图 5 所示图 5 CSM100 模块连接图 Fig.5 CSM100moduleconnectiondiagram 2.3 数据处理与控制以及各接口部分数据处理与控制部分选用三星公司的 ARM9 芯片 S3C2440,2440 有三个串口, 分别连接 EM310 模块 CAN 转 UART 模块 CSM100 以及 MAX485 S3C2440 主频为 400MHz, 能及时快速地处理和控制各种数据 FLASH 有 NOR FLASH 和 NAND FLASH 两种, 本系统将两种 FLASH 都保留下来, 选择两片 H57V2562GTR 作为 SDRAM ARM 的外围电路接口包括 RS232 接口 ADC 口以及 RS485 接口 RS232 接口由 MAX3238 芯片来完成 MAX3238 将 ARM 的串口与 GPRS 模块的 47 串口连接起来, 完成 ARM 和 GPRS 模块之间的串口交互通信功能 S3C2440 具有 8 通道模拟输入的 10 位 CMOS 模数转换器 (ADC) 它将从 ADC 口采样到的模拟信号转换为 10 位的二进制数字代码 A/D 转换器在时钟频率为 2.5MHz 时可以达到 500ksps 的最大转化速率输入模拟量电压范围为 0~3.3V A/D 转换器支持片上操作采样保持功能和掉电模式本系统采用 MAX485 芯片完成 RS485 接口通信 MAX485 芯片工作在半双工状态下, 控制引脚 2 和引脚 3 可以分别控制, 也可以共同控制在本设计中, 充分利用 MAX485 的半双工作用, 既要通过 485 口发送调光数据给二级解码器, 又要通过 485 口接收二级解码器的反馈信息 3 一级解码器软件模块一级解码器软件部分用 C 语言在 ADS1.2 环境下编程实现 GPRS 模块上网及数据传输 CAN 总线接收和传输本号一级解码器的数据 ARM 数据处理以 DMX512 格式向二级解码器发送数据等功能概括来讲, 分为以下几个模块 3.1 数据收发及处理模块在 GPRS 通信方式中选择华为公司的 EM310 作为无线通信模块 EM310 像大多数的 GPRS 模块一样, 都内嵌了 TCP/IP 协议, 需要指出的是, 系统中的上位机必须是有公网 IP 地址的 PC 机在使用 EM310 模块之前, 首先需要对模块参数进行设置并且插上一张开通了 GPRS 功能的 SIM 卡然后对 GPRS 模块进行初始化连接服务器, 收到 CON NECT( 连接 ) 回复表示连接成功, 可以向服务器传输数据了本系统中除了设计 GPRS 硬件手动启动外, 还在程序中设计了软件启动功能, 可以在不断电情况下重新启动 GPRS 模块在 CAN 总线通信方式中, 网络中最多允许挂接 110 个节点, 即 110 个一级解码器, 每个一级解码器会有自己特殊的编号, 上位机用 USB 转 CAN 模块将所有解码器的数据加上各自的编号发送到 CAN 总线上, 接收端各一级解码器用 CAN 转 UART 模块 CSM100 设置好屏蔽码和验收码,CSM100 会将 CAN 总线中数据的编号与自己的验收码进行比较, 如果一致则接收, 不一致则放弃这样, 从 CSM100 模块输出的数据就是上位机发给本号一级解码器的数据了, 将这些数据传给下级电路 (ARM) 进行处理在本设计中, 对 GPRS 和 CAN 总线接收到的数

48 西安理工大学学报 (2013) 第 29 卷第 1 期据进行处理的工作由 ARM9 处理器来完成每个一级解码器最多能接收到 512 个灯具的信息, 即每个一级解码器后最多能连接 512 个二级解码器数据中除了有调光数据之外, 还包括暂停继续运行停止反馈人体感应光敏等命令, 按照数据类型的不同, 执行不同的处理方法对于调光数据,ARM 将其解析后通过 RS485 接口以

2 反馈人体感应和光敏功能模块从 PC 机接收数据通过 RS485 口发给二级解码器调光, 只是完成了单向调光功能, 反馈过程与其相反若上位机设置某个一级解码器的反馈功能开启, 则该一级解码器便可命令二级解码器反馈灯具信息, 通过判断处理之后将反馈信息上传给 PC 机, 显示在上位机界面上, 如图 6 所示在图 6 的反馈信息中, 第一列为一级解码器的编号 001( 一号解码器 ),

4 48 西安理工大学学报 (2013) 第 29 卷第 1 期据进行处理的工作由 ARM9 处理器来完成每个一级解码器最多能接收到 512 个灯具的信息, 即每个一级解码器后最多能连接 512 个二级解码器数据中除了有调光数据之外, 还包括暂停继续运行停止反馈人体感应光敏等命令, 按照数据类型的不同, 执行不同的处理方法对于调光数据,ARM 将其解析后通过 RS485 接口以 DMX512 格式发送给二级解码器调光, 根据 DMX512 信号格式的规定, 调光控制速率为 250kbit/s 3.2 反馈人体感应和光敏功能模块从 PC 机接收数据通过 RS485 口发给二级解码器调光, 只是完成了单向调光功能, 反馈过程与其相反若上位机设置某个一级解码器的反馈功能开启, 则该一级解码器便可命令二级解码器反馈灯具信息, 通过判断处理之后将反馈信息上传给 PC 机, 显示在上位机界面上, 如图 6 所示在图 6 的反馈信息中, 第一列为一级解码器的编号 001( 一号解码器 ), 第二列为 001 号一级解码器下灯具的地址 001~006, 第三列为各地址灯具的调光亮度, 第四列为该灯具是否正常调光的判断人体感应功能的开启和关闭是对于一个区域而言的, 每个一级解码器下, 可以有若干个区域若某个区域的人体感应功能是打开的, 则可以在没有人的时候熄灭灯具 B 为一级解码器,C D 为二级解码器一级解码器 A 的调光数据为 100,92,0( 三个地址的顺序依次为红蓝绿 ), 红灯调光亮度 100, 呈完全亮状态, 蓝灯调光亮度为 92, 绿灯灭 ; 一级解码器 B 的调光数据为 98,0,98, 蓝灯灭, 红绿灯同等亮度 98, 设置调光时间为 2min,2min 后, 此调光状态立即结束, 进入下一个调光状态在调光过程中, 暂停继续运行停止等命令也能正确执行 ; 打开反馈功能, 可以在上位机界面看到灯具的反馈信息 ; 打开人体感应功能, 且检测到无人时, 灯具可以自动熄灭 ; 光敏功能开启时, 可根据光敏电阻所处地区的光照强度自动调节灯光亮度, 得到了预期效果图 7 两个一级解码器的调光状态 Fig.7 Thedimmingstateoftwofirststagedecoders 5 结语图 6 反馈信息界面 Fig.6 Theinformationinterfaceoffeedback 若打开一级解码器的光敏功能, 就可以通过对每个 AD 通道进行多次 AD 采样获取该通道所对应区域的光照强度平均值若光照强度大, 则给该区域的所有灯具输出的调光亮度小, 若光照强度小, 则给该区域的所有灯具输出的调光亮度大, 即根据光照强度调节本区域所有灯具的灯光亮度需要注意的是, 这时候上位机发来的调光数据将不予执行, 以光敏功能优先 4 实验结果经过实验, 本文所提出的 DMX512 电脑调光系统的实际调光效果达到了预期目标如图 7 所示, 为两个一级解码器各连一个二级解码器的情况,A 针对目前灯光控制系统的单调性, 本文提出了具有定时反馈人体感应和光敏功能的智能调光系统的软硬件实现方案经过现场应用测试, 结果表明, 一级解码器接收来自上位机的调光时间调光数据, 处理打包之后, 即可根据时间向二级解码器发出正确的 DMX512 调光信号, 呈现预期的调光效果 ; 暂停继续运行停止命令也可以立即生效 ; 反馈人体感应光敏命令打开时也可以得到理想效果, 从整体上完成了研究内容参考文献 : [1] 黄海. 基于 DMX512 协议的智能照明调光系统研究 [D]. 武汉 : 武汉科技大学,2011. HuangHai.Researchoninteligentlightdimmingsystem basedondmx512protocol[d].wuhan:wuhanuniversi tyofscienceandtechnology,2011. [2] 李宏虹. 现代电影照明 [M]. 北京 : 中国广播电视出版社,2005. [3] 王晓. 前沿和后沿相控控制调光 [J]. 光源与照明,2000, (1):25.

5 陈丹等 : 一种智能调光系统的研制与实现 [4]Berge,Jonas.Fieldbusenablesinnovativemeasurements [J].AdvencesinInstrumentationandControl,1996,5: [5] 钱明光, 沈卫东, 周云华. 演播厅灯光系统控制模式综述 [J]. 广播电视技术,2006,2: QianMingguang,ShenWeidong,Zhouyunhua.Reviewof studiolightingsystemcontrolingmode[j].radioandtel evisiontechnology,2006,2: [6] 方福波, 刘有源, 陈定方.DMX512 控制协议及其实现 [J]. 照明工程学报,2002,3: FangFubo,LiuYouyuan,ChenDingfang.Theprotocol andrealizationofdmx512[j].chinailuminatingengi neeringjournal,2002,3: [7] 李改海. 基于嵌入式的舞台灯光控制系统研究 [D]. 大庆 : 大庆石油学院,2010. LiGaihai.Researchonembeddedstagelightingcontrol 49 system[d].daqing:daqingpetroleuminstitute,2010. [8] 王京池. 舞台灯光控制技术与 DMX512[J]. 广播与电视技术,2004,3: Wang Jingchi. Stage lighting control technology and DMX512[J].Radio& TVBroadcastEngineering,2004, 3: [9] 顾娜. 基于 CAN 总线的智能照明控制系统的研究与设计 [D]. 镇江 : 江苏大学,2007. GuNa.Researchanddesignoftheinteligentlightingcon trolsystembasedoncanbus[d].zhenjiang:jiangsuu niversity,2007. [10] 王黎明, 陈双桥, 闫晓玲, 等.ARM9 嵌入式系统开发与实践 [M]. 北京 : 北京航空航天大学出版社,2010: ( 责任编辑王卫勋 ) 櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗简讯西安理工大学三名教师荣获第九届陕西青年科技奖 2013 年 2 月 26 日在西安召开的陕西省科协七届五次全委会上, 中共陕西省委组织部陕西省人力资源和社会保障厅陕西省科学技术协会日前联合发文关于表彰第九届陕西青年科技奖获奖人员的决定 ( 陕科协发 2013 组字 1 号 ), 西安理工大学印刷包装工程学院方长青教授水利水电学院李鹏教授印刷包装工程学院缪亚林副教授分别荣获第九届陕西青年科技奖, 其中, 方长青教授被授予陕西青年科技标兵荣誉称号 ( 摘自理工大新闻网 ) 櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗

01.ai

01.ai 赛尔富电子有限公司地址 : 中国宁波国家高新区聚贤路 1345 号电话 :0086-574-28805678 传真 :0086-574-28805656 E-mail:sales@self-electronics.com 赛尔富电子 ( 德国 ) 公司 Add:August-Horch-Str.7,51149,Koeln Tel:0049-2203-18501-0 Fax:0049-2203-18501-199