解析多兼容LED照明控制系统关键技术
近年来，发光二极管(light emitting diodes，led)由于其全固态、寿命长、低电压驱动、体积小及重量轻等特点，使之在民用及工业领域都得到了广泛的应用。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引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、百花争艳的景象。
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
多兼容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。
控制器的结构图如图1、图2 所示。
1.2 方案的选择
方案一：多微处理器芯片
一般微处理器(arm) 自带的串口只有1~2 个，通常不会超过4 个。要想实现多达16 个串口，如果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 个串口，虽然可以实现的，但串口之间协调性不高；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。因此用这个方案，可行性不高。
方案二：i/o 口模拟多串口
一片微处理器芯片，如arm，虽然只有位数不多的串口，但有些人提出可以用软件模拟的方法，把一般的i/o 口做成串口，这样就可以把arm 变成很多个串口了。这个方案看起来不错，但是经过实际的测试，发现模拟出来的串口稳定性不高，而且波特率不能设置得很高。因此，用软件模拟的方案也不太可行。
方案三：fpga（现场可编程门阵列）实现多串口
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，减少线路板（pcb）面积，提高系统的可靠性。可以在fpga 的软件平台和硬件平台下设计多串口扩展，利用fpga 实现串口扩展的另一优势在于可利用fpga 芯片剩余的资源空间， 将其他功能模块整合在一块fpga 上，这样就很好地节约了成本，这种优势是其它方案所无法比拟的。
在研究过程中，拟采用fpga 来实现16 个串口，arm收到以太网数据后，经分析处理就可以通过fpga的多个串口将dmx512 协议发送到各个led 终端控制器，实现led 照明控制。
2、关键技术
2.1 基于以太网的系统硬件设计
本研究课题采用arm 和fpga 实现dmx512 协议控制，其中arm 主要负责网络通信，人机交换，fpga 主要实现dmx512 协议。在初期的硬件设计中，主控制器和分控制器之间的通信采用的是rs485（智能仪表）通信方式，理由是通信方式简单、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。假如场景速率按照每秒10 帧来计算，一个分控制器最多可有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，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1mbps。而采用rs485 通信方式是达不到这么快的，所以这种方案失败了。
在第二版的硬件设计中，主控制器和分控制器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，一个主控制器可以带多个分控制器。
2.2 fpga 与arm 的接口设计
arm 是高速处理器，也是串行设备，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gpi/o 总线上，如图3 所示。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。模块结构图如图4 所示。
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，从而可推断出该灯具是用什么协议工作的。一般灯具的协议大多采用的是dmx512 协议，有区别的是可能某些字节的定义存在不同的含义，每个灯具所占的通道数可能不一样，rgb（三色模块）的排列方式也可能不一样。这就需要通过方法去破解，当所有的通道数和rgb 的排列方式都知道后，就可以编辑场景文件，自由地控制各类变化了。
●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：串口数据分析软件，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
通用场景生成软件产生的数据文件一般有数兆，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，这样主控制器与分控制器之间的数据传送压力大为减轻；对网络的带宽要求可以大大降低。分控制器只要对数据进行解压缩还原即可，实现了设计的场景变化。
3、技术的先进性
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。
现研发成功的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。dmx512 控制器根据sd 卡中存储的通信协议格式，不用对程序做任何修改，就可以实现对不同led 终端的控制。
3.2 基于tcp/ip 的arm+fpga 双处理器架构
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，即使在异地，主要控制器在本地，且能上网，就可以控制本地的led 终端的场景。
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。
在分控制器中采用fpga实现16 个串口的高速数据发送，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，又不乏技术的先进性。
3.3 16 个485 串口
dmx512 协议控制器是通过rs485 总线发出控制命令的，一个485 串口可以接入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，那么一个串口最多只能接21 盏灯。
目前市场上的dmx512 协议控制器最多只有8 路串口，而现在实现了16 路串口，也就是说一个分控制器可以接336 盏灯(每个灯具24 个地址)。从8 路串口到16 路串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 个串口的同步发送也非易事。
4、效益优势
4.1 通用性
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，还将有效实现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，有着重要的现实意义。
4.2 节能性
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，更能较大程度地节约能源，符合绿色照明的实施理念。
4.3 稳定性
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。尤其是照明控制器的统一，弱电线路明显减少，避免了信号干扰和互相兼容的问题，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。
5、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，避免因灯具生产厂家的原因而废弃大量led 灯具。同时也规范了led 照明控制市场的兼容性，每年仅一个地级城市市场led 照明控制器（包括主控制器、分控制器）的更换量要达到几千台，推广至各省乃至全国，销售规模更加庞大。再则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过程，该多兼容led 照明控制器的推广前景十分乐观。
CPS的精髓在于数字世界，对物联网尤为重要
蓝牙耳机什么牌子好，音质最好的国产蓝牙耳机
医疗器械如果不创新，被淘汰将是大势所趋
“国之大事必有中国联通”无缝响应各类保障需求
电磁兼容中的隔离技术
解析多兼容LED照明控制系统关键技术
Bolt EV电芯出现故障可能会导致车辆瞬间失去动力
智能家电中热水器电路设计方案
基于FSR2100设计的高效半桥谐振型电源技术
村田扩充支持高温用途的汽车用引线型多层陶瓷电容器RHS系列的产品阵容
Powered by HiHopeOS，首款搭载银联标准版操作系统的金融智能POS终端面世！
为什么PMOS的闪烁噪声低于NMOS？
高精度温湿度模块HTW－211的特点及应用
基于GTEM小室的辐射抗扰度测试系统设计实现
利用A/D+CPLD设计光纤应变信号采集系统
如何看待智能家居产品及行业前景
如何让openEuler在WSL上运行
电路、报文、分组交换的特点和比较
湿电转膜仪操作规程
央视财经CCTV2报道：普渡机器人在呷哺呷哺！
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、百花争艳的景象。
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
多兼容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。
控制器的结构图如图1、图2 所示。
1.2 方案的选择
方案一：多微处理器芯片
一般微处理器(arm) 自带的串口只有1~2 个，通常不会超过4 个。要想实现多达16 个串口，如果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 个串口，虽然可以实现的，但串口之间协调性不高；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。因此用这个方案，可行性不高。
方案二：i/o 口模拟多串口
一片微处理器芯片，如arm，虽然只有位数不多的串口，但有些人提出可以用软件模拟的方法，把一般的i/o 口做成串口，这样就可以把arm 变成很多个串口了。这个方案看起来不错，但是经过实际的测试，发现模拟出来的串口稳定性不高，而且波特率不能设置得很高。因此，用软件模拟的方案也不太可行。
方案三：fpga（现场可编程门阵列）实现多串口
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，减少线路板（pcb）面积，提高系统的可靠性。可以在fpga 的软件平台和硬件平台下设计多串口扩展，利用fpga 实现串口扩展的另一优势在于可利用fpga 芯片剩余的资源空间， 将其他功能模块整合在一块fpga 上，这样就很好地节约了成本，这种优势是其它方案所无法比拟的。
在研究过程中，拟采用fpga 来实现16 个串口，arm收到以太网数据后，经分析处理就可以通过fpga的多个串口将dmx512 协议发送到各个led 终端控制器，实现led 照明控制。
2、关键技术
2.1 基于以太网的系统硬件设计
本研究课题采用arm 和fpga 实现dmx512 协议控制，其中arm 主要负责网络通信，人机交换，fpga 主要实现dmx512 协议。在初期的硬件设计中，主控制器和分控制器之间的通信采用的是rs485（智能仪表）通信方式，理由是通信方式简单、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。假如场景速率按照每秒10 帧来计算，一个分控制器最多可有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，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1mbps。而采用rs485 通信方式是达不到这么快的，所以这种方案失败了。
在第二版的硬件设计中，主控制器和分控制器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，一个主控制器可以带多个分控制器。
2.2 fpga 与arm 的接口设计
arm 是高速处理器，也是串行设备，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gpi/o 总线上，如图3 所示。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。模块结构图如图4 所示。
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，从而可推断出该灯具是用什么协议工作的。一般灯具的协议大多采用的是dmx512 协议，有区别的是可能某些字节的定义存在不同的含义，每个灯具所占的通道数可能不一样，rgb（三色模块）的排列方式也可能不一样。这就需要通过方法去破解，当所有的通道数和rgb 的排列方式都知道后，就可以编辑场景文件，自由地控制各类变化了。
●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：串口数据分析软件，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
通用场景生成软件产生的数据文件一般有数兆，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，这样主控制器与分控制器之间的数据传送压力大为减轻；对网络的带宽要求可以大大降低。分控制器只要对数据进行解压缩还原即可，实现了设计的场景变化。
3、技术的先进性
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。
现研发成功的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。dmx512 控制器根据sd 卡中存储的通信协议格式，不用对程序做任何修改，就可以实现对不同led 终端的控制。
3.2 基于tcp/ip 的arm+fpga 双处理器架构
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，即使在异地，主要控制器在本地，且能上网，就可以控制本地的led 终端的场景。
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。
在分控制器中采用fpga实现16 个串口的高速数据发送，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，又不乏技术的先进性。
3.3 16 个485 串口
dmx512 协议控制器是通过rs485 总线发出控制命令的，一个485 串口可以接入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，那么一个串口最多只能接21 盏灯。
目前市场上的dmx512 协议控制器最多只有8 路串口，而现在实现了16 路串口，也就是说一个分控制器可以接336 盏灯(每个灯具24 个地址)。从8 路串口到16 路串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 个串口的同步发送也非易事。
4、效益优势
4.1 通用性
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，还将有效实现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，有着重要的现实意义。
4.2 节能性
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，更能较大程度地节约能源，符合绿色照明的实施理念。
4.3 稳定性
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。尤其是照明控制器的统一，弱电线路明显减少，避免了信号干扰和互相兼容的问题，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。
5、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，避免因灯具生产厂家的原因而废弃大量led 灯具。同时也规范了led 照明控制市场的兼容性，每年仅一个地级城市市场led 照明控制器（包括主控制器、分控制器）的更换量要达到几千台，推广至各省乃至全国，销售规模更加庞大。再则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过程，该多兼容led 照明控制器的推广前景十分乐观。
CPS的精髓在于数字世界，对物联网尤为重要
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电磁兼容中的隔离技术
解析多兼容LED照明控制系统关键技术
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基于GTEM小室的辐射抗扰度测试系统设计实现
利用A/D+CPLD设计光纤应变信号采集系统
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