專利名稱：一種實現(xiàn)從以太網(wǎng)到dmx512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及景觀照明、舞臺燈光控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于32位高性能單 片機的以太網(wǎng)/DMX512網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)從以太網(wǎng)到DMX512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。
技術(shù)背景隨著人們審美水平的不斷提高，以及電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，景觀照明和 舞臺燈光的表現(xiàn)形式越來越復(fù)雜，越來越生動?，F(xiàn)在的景觀照明和舞臺燈光所要控制的燈 光的點數(shù)和類型都非常多，有時可能會遇到上萬個點和很多種不同的燈光設(shè)備。在很多復(fù) 雜一些的燈光控制系統(tǒng)(通稱彩燈控制系統(tǒng))中，采用單一的控制器已無法實現(xiàn)所需的控 制效果，因而對于復(fù)雜的大規(guī)模彩燈控制，常采用分層網(wǎng)絡(luò)化的分布式控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對 大量燈光點的實時控制。在網(wǎng)絡(luò)化的燈光及舞臺設(shè)備控制系統(tǒng)中，為了解決各廠家設(shè)備兼容性問題，美國 劇場技術(shù)協(xié)會(USITT)制定了 DMX512協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。由于該協(xié)議簡單實用，目前幾乎所有的燈 光及舞臺設(shè)備生產(chǎn)廠商都支持該控制協(xié)議，使之成為燈光控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。DMX512協(xié)議是一點對多點的主從式燈光控制系統(tǒng)，主控制器向總線發(fā)送控制時 序，總線上的其他從燈光設(shè)備接收總線數(shù)據(jù)，提取其對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，完成控制信號的接 收。其物理層信號通過EIA-485有線線纜進行傳輸，控制信號數(shù)據(jù)包的傳輸通過異步通信 的方式進行。一個DMX512數(shù)據(jù)包包含起始碼和512個數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀內(nèi)包含1個起始位 (低電平)、8個位數(shù)據(jù)和2個停止位(高電平)，沒有奇偶校驗。DMX512的信號數(shù)據(jù)傳輸率 為250kbps，數(shù)據(jù)幀每位寬度為4 μ s，發(fā)送一幀需要44 μ S。一個數(shù)據(jù)幀代表了一路控制通 道，因此該協(xié)議支持512路控制通道。一般舞臺燈光設(shè)備可以同時接收多路通道控制。接收 的通道數(shù)越多，接收的控制數(shù)據(jù)量也越大，燈光的表現(xiàn)能力也就越強。DMX512數(shù)據(jù)包的傳輸 要符合一定的格式和時序要求。主要包含1個至少88 μ s的低電平輸出起始標(biāo)志(Break)、 起始碼幀、512個數(shù)據(jù)幀和最后的數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志(高電平)。DMX512協(xié)議對發(fā)送和接收的 時序要求較為嚴格，控制器和接收器只有滿足DMX512數(shù)據(jù)包的時序要求，才能正常完成主 從機之間的通信。所以實現(xiàn)DMX512的控制器和接收器常需要采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，以保證 傳輸時序的可靠性。在大規(guī)模的分布式彩燈控制網(wǎng)中，控制的核心是一個主控制器或者幾個主控制 器，主控制器把每個控制點的動作信息實時發(fā)送給每個控制點，數(shù)據(jù)傳輸是通過網(wǎng)絡(luò)進行 的。在這樣的系統(tǒng)中，主控器需要處理大量的媒體數(shù)據(jù)，并且需要實時傳輸給個控制點，因 此主控器常采用PC機或者專門的媒體處理系統(tǒng)實現(xiàn)，傳輸網(wǎng)絡(luò)常采用以太網(wǎng)；與之相對 應(yīng)，各控制點采用DMX512網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這實際上在系統(tǒng)中存在兩種不同的網(wǎng)絡(luò)，故 在以太網(wǎng)和DMX512網(wǎng)之間需要一種實現(xiàn)從以太網(wǎng)到DMX512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，即網(wǎng)關(guān)
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種實現(xiàn)從以太網(wǎng)到DMX512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換設(shè)備。該設(shè)備可以將一路10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為4路獨立隔離輸出的DMX512網(wǎng)信號。具體而言，該轉(zhuǎn)換設(shè)備包括微處理器、模式選擇開關(guān)、狀態(tài)指示燈LED、 EEPROM(ElectricalIy Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦可編程只讀存 儲器)、以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)以及復(fù)數(shù)條DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)；所述模式選擇開關(guān)通過 微處理器上的通用IO 口與微處理器連接；所述狀態(tài)指示燈LED通過微處理器上的通用IO 口與微處理器連接；所述EEPROM通過微處理器上的I2C接口與微處理器連接；其特征在于，所述微處理器中設(shè)有以太網(wǎng)控制器，該以太網(wǎng)控制器通過依次連接與以太網(wǎng)物理 層芯片、以太網(wǎng)變壓器以及RJ45接口從而構(gòu)成以太網(wǎng)鏈路結(jié)構(gòu)；所述微處理器中通過自設(shè)的UART接口，依次連接高速光耦、RS485芯片、防雷保護 電路以及卡儂頭接口從而構(gòu)成DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備中的微處理器通過自設(shè)的UART接口，依次連接RS232 芯片以及DB9接口從而構(gòu)成連接計算機的PC鏈路結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備中的微處理器采用以ARM7為核心的LPC2300微處理 器，該微處理器帶有10/100M以太網(wǎng)控制器(以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層控制器)，內(nèi)部還帶有的4 個UART接口(通用異步傳輸口)，每個UART接口可以用來組建一條DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié) 構(gòu)。上述方案中，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備通過設(shè)置兩個狀態(tài)指示燈LED，配合模式選擇開關(guān)的控 制，從而顯示該轉(zhuǎn)換設(shè)備是處于配置模式或正常工作模式。本實用新型通過標(biāo)準(zhǔn)串口可對以太網(wǎng)通訊參數(shù)以及4路DMX512輸出進行配置，可 實現(xiàn)4路冗余輸出、獨立輸出、2路編組輸出等各種方式，具有一定的網(wǎng)管功能。該網(wǎng)關(guān)設(shè)備 屬于嵌入式系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠，實時性好。


以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進一步說明本實用新型。圖1為本實用新型所述轉(zhuǎn)換設(shè)備(以太網(wǎng)/DMX512網(wǎng)關(guān))的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為四級雷電保護示意圖。圖3為本實用新型涉及的協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本實用新型。如圖1所示，本實用新型所述轉(zhuǎn)換設(shè)備采用以ARM7為核心的LPC2300系列微處理 器實現(xiàn)，采用其內(nèi)部帶有的10/100M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層控制器，實現(xiàn)以太網(wǎng)端口，以及內(nèi)部 帶有的4個功能豐富帶有緩沖的UART接口(通用異步傳輸口)，實現(xiàn)4路DMX512通信鏈路接口。另外，由于設(shè)備的核心為LPC2300系列微處理器，其內(nèi)部的10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng) 控制器通過RMII (精簡媒體連接接口 )接口與10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)物理層芯片連接，以 太網(wǎng)物理層芯片再通過連接以太網(wǎng)變壓器和RJ45接口，將以太網(wǎng)信號隔離輸出。LPC2300微處理器內(nèi)部有4個獨立的UART接口，由UART接口產(chǎn)生DMX512連接接
4口。每個UART接口首先通過高速光耦進行信號隔離，再接入RS485芯片生成差分輸出信號， 然后通過防雷保護電路。由于在景觀照明及舞臺燈光控制行業(yè)常用卡儂頭連接器作為設(shè)備的接口形式，所 以DMX512信號最終接至卡儂頭連接器輸出。由于DMX512協(xié)議規(guī)定DMX512信號傳輸為單向主從傳輸，故只需要信號向輸出的 方向單向傳輸。高速光耦將DMX512輸出信號與設(shè)備其他部分隔離開，并且每路DMX512輸 出采用各自單獨的隔離電源輸出端供電，所以每路DMX512信號都是獨立的，相互之間也互 相隔離。這樣，通訊線路上的干擾和危險因素就可以不影響到設(shè)備的其他部分，保證設(shè)備的 可靠運行。第一個UART接口 UARTl除了輸出DMX512信號，也作為標(biāo)準(zhǔn)串口的連接接口，接 口信號通過RS232芯片進行電平轉(zhuǎn)換后，以DB9接口形式接出。為方便與PC串口連接，DB9 接口采用母頭，發(fā)送和接收引腳與PC機正好對應(yīng)，通過簡單的直連DB9延長電纜即可連接。 在設(shè)備處于配置模式下，UARTl用作配置接口，與PC機相連進行人機交互；而在設(shè)備處于工 作模式下，UARTl用作DMX512的第一路輸出，正常輸出DMX512數(shù)據(jù)。其他UART在任何模 式下均用于DMX512輸出。為了存儲設(shè)備配置的配置參數(shù)，如以太網(wǎng)通訊參數(shù)以及DMX512端口的配置情況， 設(shè)備在LPC2300微處理器外通過I2C接口擴展了 EEPR0M。此外，設(shè)置了一個模式選擇開關(guān)， 用以控制設(shè)備處于配置模式或正常工作模式，設(shè)置了兩個狀態(tài)顯示LED用來指示設(shè)備當(dāng)前 所處的模式。這都是同過微處理的通用IO 口實現(xiàn)的連接。設(shè)備采用7-40V單電源供電，內(nèi)部通過開關(guān)電源芯片產(chǎn)生5V電壓，再由5V電壓通 過三端穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3. 3V內(nèi)部芯片工作電壓。5V電壓通過4個隔離電源，分別產(chǎn)生4個相 互獨立的5V隔離輸出給4路DMX512外電路供電。如圖2所示，由于在景觀照明等場合，DMX512網(wǎng)絡(luò)常有部分暴露在建筑物的外部， 需要考慮雷電對設(shè)備造成的影響，同時在實際施工時常有將電源線和通訊線接錯的人為錯 誤，這樣在每一路DMX512輸出線路上加入了防雷保護電路。這里的防雷保護包括4級保護。其中，最外面為玻璃放電管保護，玻璃放電管串接在差分線路以及每條線路對地 之間，分別提供線線間和線地間的防雷擊過壓保護，當(dāng)雷電進入線路時，玻璃放電管首先通 過放電吸收大部分雷電能量，浪涌吸收能量大的特性可以保證泄放過程中防雷管自身不被 損壞。泄放過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)大電流會在電路中感應(yīng)出一個尖峰電壓，此電壓幅值隨電路 和器件選擇而有所不同，在數(shù)十伏到數(shù)百伏之間，脈寬在數(shù)十納秒到數(shù)百納秒之間。由于脈 寬窄，該尖峰電壓的能量并不大。接下來，保護電路采用快速恢復(fù)保險絲和功率電阻組成， 大的浪涌能量或者電源能量，可使得線路瞬間電流很大，快速恢復(fù)保險絲呈現(xiàn)高阻吸收能 量阻斷線路，在快速恢復(fù)保險絲動作前限流由功率電阻完成。第三級保護使用TVS管，其作 用是吸收上述的尖峰電壓，將電壓可靠地箝位在安全范圍內(nèi)，同樣提供線線間和線地間的 保護。最后一級保護即光耦的隔離，這實現(xiàn)外部通訊與設(shè)備內(nèi)部的2500V電氣隔離，從而讓 內(nèi)部設(shè)備可不受到影響。對于該設(shè)備的軟件上，在以太網(wǎng)的MAC層上采用了 TCP/IP協(xié)議棧，支持ARP、IP, I CMP, TCP和UDP等TCP/IP協(xié)議，同時在以太網(wǎng)MAC層上自定義了另一個專門用于進行直 接MAC層傳輸DMX512數(shù)據(jù)的協(xié)議棧，該協(xié)議棧與TCP/IP協(xié)議棧并列于MAC層上。這樣，該 設(shè)備可完成利用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的UDP協(xié)議傳輸DMX512數(shù)據(jù)，或者直接采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸DMX512數(shù)據(jù)兩種協(xié)議，以實現(xiàn)不同的需求。本設(shè)備協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)備的軟件采用典型的前后臺形式結(jié)構(gòu)，沒有采用操作系統(tǒng)。整體為一個循環(huán)結(jié) 構(gòu)，從檢測模式選擇開關(guān)狀態(tài)開始，1為正常工作模式，0為參數(shù)配置模式。如果模式選擇相對于前一次沒有發(fā)生變化，則執(zhí)行原來模式下的任務(wù)。如果模式 選擇變化了，則首先執(zhí)行所要切換到的模式的重新初始化程序，并驅(qū)動LED指示燈進行相 應(yīng)的模式指示，然后執(zhí)行所切換到模式下的任務(wù)。正常工作模式下的任務(wù)從查詢以太網(wǎng)上是否收到數(shù)據(jù)包開始，如果收到了數(shù)據(jù)包 則分辨數(shù)據(jù)包是否為TCP/IP的數(shù)據(jù)包，是則進入TCP/IP協(xié)議棧進行處理，不是則分辨分辨 數(shù)據(jù)包是否為自定義的擴展協(xié)議數(shù)據(jù)包，是則以擴展協(xié)議進行解析。如果都不是則丟棄該 數(shù)據(jù)包。當(dāng)對TCP/IP數(shù)據(jù)包進行處理時，根據(jù)不同的報文產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答報文由以太網(wǎng)發(fā) 送出，或執(zhí)行相應(yīng)的動作。當(dāng)接收到的以UDP方式傳輸?shù)腄MX512數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解析， 得到4路DMX512的傳輸數(shù)據(jù)，更新各路傳輸緩沖區(qū)的內(nèi)容，當(dāng)收到以直接MAC方式傳輸?shù)?DMX512數(shù)據(jù)后，同樣對數(shù)據(jù)進行解析，得到4路DMX512的傳輸數(shù)據(jù)，更新各路傳輸緩沖區(qū)的 內(nèi)容。處理完以太網(wǎng)協(xié)議部分后，再進行各路DMX512數(shù)據(jù)的發(fā)送，由于UART端口以一個字 節(jié)為單位進行發(fā)送，為了保證4路數(shù)據(jù)的同步發(fā)送，各路UART每次發(fā)送一個字節(jié)。發(fā)送每 個字節(jié)時，對各UART端口分別寫好要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)后，統(tǒng)一開始發(fā)送。參數(shù)配置模式下的任務(wù)為接收來自串口的人機交互命令，從而執(zhí)行相應(yīng)動作。人 機交互主要完成以太網(wǎng)參數(shù)以及DMX512端口的配置。以太網(wǎng)參數(shù)包括MAC地址、IP地址、 子網(wǎng)掩碼、報文通訊端口等，DMX512端口的配置包括4路冗余輸出、獨立輸出、2路編組輸出 等各種方式，配置的參數(shù)都保存在設(shè)備的EEPROM中，用以在正常工作模式重新初始化時讀 取使用。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還 會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型 要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求一種實現(xiàn)從以太網(wǎng)到DMX512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括微處理器、模式選擇開關(guān)、狀態(tài)指示燈LED、EEPROM、以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)以及復(fù)數(shù)條DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)；所述模式選擇開關(guān)通過微處理器上的通用IO口與微處理器連接；所述狀態(tài)指示燈LED通過微處理器上的通用IO口與微處理器連接；所述EEPROM通過微處理器上的I2C接口與微處理器連接；其特征在于，所述微處理器中設(shè)有以太網(wǎng)控制器，該以太網(wǎng)控制器通過依次連接與以太網(wǎng)物理層芯片、以太網(wǎng)變壓器以及RJ45接口從而構(gòu)成以太網(wǎng)鏈路結(jié)構(gòu)；所述微處理器中通過自設(shè)的UART接口，依次連接高速光耦、RS485芯片、防雷保護電路以及卡儂頭接口從而構(gòu)成DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備中的微處理器通過自設(shè)的 UART接口，依次連接RS232芯片以及DB9接口從而構(gòu)成連接計算機的PC鏈路結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備中的微處理器采用以ARM7 為核心的LPC2300微處理器，該微處理器帶有10/100M以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部還帶有的4個 UART接口，每個UART接口可以用來組建一條DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換設(shè)備，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換設(shè)備通過設(shè)置兩個狀態(tài)指示燈 LED，配合模式選擇開關(guān)的控制，從而顯示該轉(zhuǎn)換設(shè)備是處于配置模式或正常工作模式。
專利摘要本實用新型公開了一種實現(xiàn)從以太網(wǎng)到DMX512網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，該設(shè)備包括微處理器、模式選擇開關(guān)、狀態(tài)指示燈LED、EEPROM、以太網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)以及復(fù)數(shù)條DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)；所述模式選擇開關(guān)通過微處理器上的通用IO口與微處理器連接；所述狀態(tài)指示燈LED通過微處理器上的通用IO口與微處理器連接；所述EEPROM通過微處理器上的I2C接口與微處理器連接。所述微處理器中設(shè)有以太網(wǎng)控制器，該以太網(wǎng)控制器通過依次連接與以太網(wǎng)物理層芯片、以太網(wǎng)變壓器以及RJ45接口從而構(gòu)成以太網(wǎng)鏈路結(jié)構(gòu)；所述微處理器中通過自設(shè)的UART接口，依次連接高速光耦、RS485芯片、防雷保護電路以及卡儂頭接口從而構(gòu)成DMX512網(wǎng)通信鏈路結(jié)構(gòu)。
文檔編號H04L12/66GK201682520SQ201020191239
公開日2010年12月22日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者劉志強, 陸斌泉, 陳巨濤 申請人:上海海事大學(xué)